Praca pisemna

w fizyce

na temat:

« Problemy współczesnej fizyki»

Zacznijmy od problemu, który obecnie przyciąga największą uwagę fizyków, nad którym pracuje być może największa liczba badaczy i laboratoriów badawczych na całym świecie - jest to problem jądra atomowego, a w szczególności, jako jego najbardziej istotna i ważna część – tak zwany problem uranu.

Udało się ustalić, że atomy składają się ze stosunkowo ciężkiego, dodatnio naładowanego jądra otoczonego pewną liczbą elektronów. Dodatni ładunek jądra i ujemne ładunki otaczających je elektronów znoszą się wzajemnie. Ogólnie atom wydaje się neutralny.

Od 1913 do prawie 1930 roku fizycy dokładnie badali właściwości i zewnętrzne przejawy atmosfery elektronów otaczających jądro atomowe. Badania te doprowadziły do ​​jednej, kompletnej teorii, która odkryła nowe, nieznane nam wcześniej prawa ruchu elektronów w atomie. Teoria ta nazywana jest kwantową lub falową teorią materii. Wrócimy do tego później.

Od około 1930 roku uwaga skupiła się na jądrze atomowym. Jądro jest dla nas szczególnie interesujące, ponieważ koncentruje się w nim prawie cała masa atomu. A masa jest miarą rezerwy energii, jaką posiada dany układ.

Każdy gram dowolnej substancji zawiera dokładnie znaną energię, a w dodatku bardzo znaczącą. Na przykład szklanka herbaty ważąca około 200 g zawiera taką ilość energii, która wymagałaby spalenia około miliona ton węgla.

Energia ta zlokalizowana jest właśnie w jądrze atomowym, gdyż 0,999 całkowitej energii, czyli całej masy ciała, zawarte jest w jądrze, a jedynie niecałe 0,001 całkowitej masy można przypisać energii elektronów. Kolosalne zasoby energii znajdujące się w jądrach są nieporównywalne z żadnymi formę energii, jaką znaliśmy do tej pory.

Naturalnie, nadzieja na posiadanie tej energii jest kusząca. Ale aby to zrobić, musisz najpierw go przestudiować, a następnie znaleźć sposoby na jego wykorzystanie.

Ale dodatkowo jądro interesuje nas z innych powodów. Jądro atomu całkowicie określa jego całą naturę, determinuje jego Właściwości chemiczne i jego osobowość.

Jeśli żelazo różni się od miedzi, węgla, ołowiu, to różnica ta leży właśnie w jądrach atomowych, a nie w elektronach. Wszystkie ciała mają te same elektrony, a każdy atom może stracić część swoich elektronów do tego stopnia, że ​​wszystkie elektrony z atomu mogą zostać oderwane. Dopóki jądro atomowe z ładunkiem dodatnim jest nienaruszone i niezmienione, zawsze będzie przyciągało tyle elektronów, ile będzie konieczne, aby zrekompensować jego ładunek. Jeśli jądro srebra ma 47 ładunków, to zawsze przyłączy do siebie 47 elektronów. Celując zatem w jądro, mamy do czynienia z tym samym pierwiastkiem, z tą samą substancją. Gdy tylko jądro ulegnie zmianie, jeden pierwiastek chemiczny staje się drugim. Tylko wtedy spełni się wieloletnie i dawno porzucone marzenie o alchemii – przemianie jednych pierwiastków w inne. NA nowoczesna scena historii, to marzenie się spełniło, nie do końca w formie i nie z wynikami, jakich oczekiwali alchemicy.

Co wiemy o jądrze atomowym? Rdzeń z kolei składa się z jeszcze mniejszych składniki. Składniki te reprezentują najprostsze jądra znane nam w przyrodzie.

Najlżejszym, a zatem najprostszym jądrem jest jądro atomu wodoru. Wodór jest pierwszym pierwiastkiem układu okresowego o masie atomowej około 1. Jądro wodoru jest częścią wszystkich pozostałych jąder. Z drugiej jednak strony łatwo zauważyć, że wszystkie jądra nie mogą składać się wyłącznie z jąder wodoru, jak zakładał Prout dawno temu, ponad 100 lat temu.

Jądra atomów mają określoną masę, która jest określona przez masę atomową, i określony ładunek. Ładunek jądrowy określa liczbę zajmowaną przez dany pierwiastek V Układ okresowy Mendelejewa.

Wodór w tym układzie jest pierwszym pierwiastkiem: ma jeden ładunek dodatni i jeden elektron. Drugi element w kolejności ma jądro z podwójnym ładunkiem, trzeci z potrójnym ładunkiem itp. aż do ostatniego i najcięższego ze wszystkich pierwiastków, uranu, którego jądro ma 92 ładunki dodatnie.

Mendelejew, usystematyzując ogromny materiał doświadczalny w dziedzinie chemii, stworzył układ okresowy. Oczywiście nie podejrzewał wówczas istnienia jąder, ale nie sądził, że o kolejności elementów w stworzonym przez siebie układzie decyduje po prostu ładunek jądra i nic więcej. Okazuje się, że te dwie cechy jąder atomowych – masa atomowa i ładunek – nie odpowiadają temu, czego byśmy oczekiwali na podstawie hipotezy Prouta.

Zatem drugi pierwiastek - hel ma masę atomową 4. Jeśli składa się z 4 jąder wodoru, to jego ładunek powinien wynosić 4, ale tymczasem jego ładunek wynosi 2, ponieważ jest to drugi pierwiastek. Dlatego należy pomyśleć, że w helu są tylko 2 jądra wodoru. Nazywamy protonami jądra wodoru. Ale Na Ponadto w jądrze helu znajdują się jeszcze 2 jednostki masy, które nie mają ładunku. Drugi składnik jądra należy uznać za nienaładowane jądro wodoru. Musimy rozróżnić jądra wodoru posiadające ładunek, czyli protony, od jąder nieposiadających żadnego ładunku elektrycznego, neutralnych, nazywamy je neutronami.

Wszystkie jądra składają się z protonów i neutronów. Hel ma 2 protony i 2 neutrony. Azot ma 7 protonów i 7 neutronów. Tlen ma 8 protonów i 8 neutronów, węgiel C ma protony i 6 neutronów.

Ale dalej ta prostota zostaje nieco naruszona, liczba neutronów staje się coraz większa w porównaniu z liczbą protonów, a w ostatnim elemencie - uranie, znajdują się 92 ładunki, 92 protony, a jego masa atomowa wynosi 238. W związku z tym kolejny Do 92 protonów dodaje się 146 neutronów.

Oczywiście nie można sądzić, że to, co wiemy w 1940 r., jest już wyczerpującą refleksją prawdziwy świat a różnorodność kończy się na tych cząstkach, które są elementarne w dosłownym tego słowa znaczeniu. Pojęcie elementarności oznacza jedynie pewien etap naszej penetracji w głąb natury. Na tym etapie znamy jednak skład atomu tylko do tych pierwiastków.

Ten prosty obraz w rzeczywistości nie był tak łatwy do zrozumienia. Trzeba było pokonać cały szereg trudności, cały szereg sprzeczności, które już w momencie ich identyfikacji wydawały się beznadziejne, ale które jak zawsze w historii nauki okazywały się jedynie różnymi stronami bardziej ogólnego obrazu , co było syntezą czegoś, co wydawało się sprzecznością, i przeszliśmy do następnego, głębszego zrozumienia problemu.

Najważniejsza z tych trudności okazała się następująca: już na początku naszego stulecia było wiadomo, że cząstki b (okazały się jądra helu) i cząstki b (elektrony) wylatują z głębin atomy radioaktywne (wówczas nie podejrzewano jeszcze jądra). Wydawało się, że z atomu wylatuje to, z czego się składa. W rezultacie wydawało się, że jądra atomów składają się z jąder helu i elektronów.

Błędność pierwszej części tego twierdzenia jest jasna: oczywiste jest, że nie da się zbudować jądra wodoru z czterokrotnie cięższych jąder helu: część nie może być większa od całości.

Druga część tego stwierdzenia również okazała się błędna. Elektrony rzeczywiście są wyrzucane podczas procesów jądrowych, a jednak w jądrach nie ma elektronów. Wydaje się, że zachodzi tu logiczna sprzeczność. Czy tak jest?

Wiemy, że atomy emitują światło, kwanty świetlne (fotony).

Dlaczego te fotony są magazynowane w atomie w postaci światła i czekają na moment, w którym zostaną uwolnione? Oczywiście, że nie. Emisję światła rozumiemy w ten sposób, że ładunki elektryczne w atomie, przechodząc z jednego stanu do drugiego, uwalniają pewną ilość energii, która zamienia się w postać energii promienistej, rozprzestrzeniającej się w przestrzeni.

Podobne rozważania można poczynić w odniesieniu do elektronu. Z wielu powodów elektron nie może znajdować się w jądrze atomowym. Nie może jednak powstać w jądrze, jak foton, ponieważ ma ujemny ładunek elektryczny. Nie ulega wątpliwości, że ładunek elektryczny, podobnie jak energia i materia w ogóle, pozostaje niezmieniony; całkowita ilość energii elektrycznej nie powstaje nigdzie i nigdzie nie znika. W rezultacie, jeśli ładunek ujemny zostanie przeniesiony, jądro otrzyma równy ładunek dodatni. Procesowi emisji elektronów towarzyszy zmiana ładunku jądra. Ale jądro składa się z protopopów i neutronów, co oznacza, że ​​​​jeden z nienaładowanych neutronów zamienił się w dodatnio naładowany proton.

Pojedynczy elektron ujemny nie może ani pojawić się, ani zniknąć. Jednak dwa przeciwne ładunki mogą, jeśli zbliżą się do siebie w wystarczającym stopniu, znieść się lub nawet całkowicie zniknąć, uwalniając zapas energii w postaci energii promienistej (fotonów).

Jakie są te ładunki dodatnie? Można było ustalić, że oprócz elektronów ujemnych w przyrodzie obserwuje się ładunki dodatnie, które można wytworzyć za pomocą laboratoriów i technologii, które we wszystkich swoich właściwościach: masie i wielkości ładunku są całkiem zgodne z elektronami, ale mają tylko ładunek dodatni. Ładunek taki nazywamy pozytonem.

Zatem rozróżniamy elektrony (ujemne) i pozytony (dodatnie), różniące się jedynie przeciwnym znakiem ładunku. W pobliżu jąder mogą zachodzić oba procesy łączenia pozytonów z elektronami i rozszczepiania na elektron i pozyton, przy czym elektron opuszcza atom, a pozyton wchodzi do jądra, zamieniając neutron w proton. Równocześnie z elektronem opuszcza także nienaładowana cząstka – neutrino.

Obserwuje się również procesy zachodzące w jądrze, podczas których elektron przenosi swój ładunek do jądra, zamieniając proton w neutron, a pozyton wylatuje z atomu. Kiedy elektron jest emitowany z atomu, ładunek jądra wzrasta o jeden; Kiedy emitowany jest pozyton lub proton, ładunek i liczba w układzie okresowym zmniejszają się o jedną jednostkę.

Wszystkie jądra zbudowane są z naładowanych protonów i nienaładowanych neutronów. Pytanie brzmi, jakimi siłami są one zatrzymywane w jądrze atomowym, co je ze sobą łączy, co decyduje o budowie różnych jąder atomowych z tych pierwiastków?

Na podobne pytanie dotyczące związku między jądrem a elektronami w atomie otrzymano prostą odpowiedź. Dodatni ładunek jądra przyciąga do siebie ujemne elektrony zgodnie z podstawowymi prawami elektryczności, tak jak Słońce przyciąga do siebie Ziemię i inne planety za pomocą sił grawitacyjnych. Ale w jądrze atomowym jedna z części składowych jest obojętna. Jak łączy się z dodatnio naładowanym protonem i innymi neutronami? Eksperymenty wykazały, że siły, które wiążą ze sobą dwa neutrony, są w przybliżeniu tej samej wielkości, co siły, które wiążą ze sobą neutron z protonem, a nawet 2 protony. Nie są to siły grawitacyjne, interakcje elektryczne czy magnetyczne, ale siły o szczególnej naturze, które powstają w mechanice kwantowej, czyli falowej.

Jeden z radzieckich naukowców, I.E. „Gamm postawił hipotezę, że połączenie między neutronem a protonem zapewniają ładunki elektryczne – elektrony i pozytony. Ich emisja i absorpcja rzeczywiście powinny dać pewne siły połączenia między protonem i neutronem. Jednak, jak wykazały obliczenia, siły te są wielokrotnie słabsze od tych, które faktycznie istnieją w rdzeniu i zapewniają jego siłę.

Następnie japoński fizyk Yukawa próbował postawić problem w ten sposób: skoro oddziaływanie za pośrednictwem elektronów i pozytonów nie wystarczy do wyjaśnienia sił jądrowych, to jakie cząstki zapewnią wystarczające siły? I obliczył, że gdyby w jądrze znaleziono cząstki ujemne i dodatnie o masie 200 razy większej od pozytonu i elektronu, to cząstki te zapewniłyby właściwą istotność sił oddziaływania.

Niedługo później cząstki te odkryto w promieniowaniu kosmicznym, które pochodziło z przestrzeń świata, przenikają do atmosfery i są obserwowane zarówno na powierzchni Ziemi, jak i na wysokościach Elbrusa, a nawet pod ziemią na dość dużej głębokości. Okazuje się, że promienie kosmiczne wpadając do atmosfery tworzą ujemnie i dodatnio naładowane cząstki o masie około 200 razy większej niż masa elektronu. Cząstki te są jednocześnie 10 razy lżejsze od protonu i neutronu (które są około 2000 razy cięższe od elektronu). Są to zatem cząstki o „średniej” masie. Dlatego nazwano je mezotronami, w skrócie mezonami. Ich istnienie jako części promieni kosmicznych w atmosferze ziemskiej nie budzi obecnie wątpliwości.

To samo I.E. Tamm badał ostatnio prawa ruchu mezonów. Okazuje się, że mają one szczególne właściwości, pod wieloma względami niepodobne do właściwości elektronów i pozytonów. Opierając się na teorii mezonów, wraz z L.D. Landau stworzył niezwykle interesującą teorię powstawania neutronów i protonów.

Tamm i Landau wyobrażają sobie, że neutron to proton połączony z ujemnym mezonem. Dodatnio naładowany proton z ujemnym elektronem tworzy atom wodoru, który jest nam dobrze znany. Jeśli jednak zamiast elektronu ujemnego znajdzie się mezon ujemny, cząstka 200 razy cięższa, o specjalnych właściwościach, to taka kombinacja zajmuje znacznie mniej miejsca i we wszystkich swoich właściwościach jest ściśle zgodna z tym, co wiemy o neutronie.

Zgodnie z tą hipotezą uważa się, że neutron to proton sprzężony z mezonem ujemnym i odwrotnie, proton to neutron sprzężony z mezonem dodatnim.

W ten sposób cząstki „elementarne” – protony i neutrony – na naszych oczach ponownie zaczynają się rozdzielać i ujawniać swoją złożoną strukturę.

Ale być może jeszcze bardziej interesujące jest to, że taka teoria ponownie przywraca nas do elektrycznej teorii materii, zakłóconej pojawieniem się neutronów. Teraz znowu można stwierdzić, że wszystkie znane nam dotychczas elementy atomu i jego jądra mają zasadniczo pochodzenie elektryczne.

Nie należy jednak sądzić, że w jądrze mamy po prostu do czynienia z powtórzeniem właściwości tego samego atomu.

Przechodząc od doświadczeń zgromadzonych w astronomii i mechanice do skali atomu, do 100 milionowych centymetra, znaleźliśmy się w nowy Świat, gdzie pojawiają się nieznane wcześniej nowe właściwości fizyczne fizyka atomowa. Właściwości te wyjaśnia mechanika kwantowa.

Całkiem naturalne jest oczekiwanie i najwyraźniej doświadczenie już nam to pokazuje, że kiedy przejdziemy do następnego etapu, do jądra atomowego, a jądro atomowe jest nadal 100 tysięcy razy mniejsze od atomu, to tutaj odkrywamy nawet nowe, specyficzne prawa procesy jądrowe, które nie objawiają się zauważalnie ani w atomie, ani w dużych ciałach.

Ta mechanika kwantowa, która doskonale opisuje nam wszystkie właściwości układów atomowych, okazuje się niewystarczająca i należy ją uzupełniać i korygować zgodnie ze zjawiskami zachodzącymi w jądrze atomowym.

Każdemu takiemu etapowi ilościowemu towarzyszy przejaw jakościowo nowych właściwości. Siły łączące proton i neutron z mezonem nie są siłami przyciągania elektrostatycznego, ale prawa Coulomba, które łączą jądro wodoru z jego elektronem, to siły o bardziej złożonej naturze, opisane teorią Tamma.

Tak teraz wygląda nam struktura jądra atomowego. Małżonkowie Piotra i Marii Curie w 1899 r. odkrył rad i badał jego właściwości. Ale droga obserwacji, nieunikniona na pierwszym etapie, bo innej nie mieliśmy, jest drogą wyjątkowo nieefektywną dla rozwoju nauki.

Szybki rozwój zapewnia możliwość aktywnego oddziaływania na badany obiekt. Zaczęliśmy rozpoznawać jądro atomowe, gdy nauczyliśmy się je aktywnie modyfikować. To jest odważne. około 20 lat temu słynnemu angielskiemu fizykowi Rutherfordowi.

Od dawna wiadomo, że kiedy spotykają się dwa jądra atomowe, można się spodziewać, że będą one na siebie oddziaływać. Jak jednak przeprowadzić takie spotkanie? W końcu jądra są naładowane dodatnio. Zbliżając się do siebie, odpychają się; ich rozmiary są tak małe, że siły odpychające osiągają ogromne wielkości. Aby pokonać te siły i zmusić jedno jądro do spotkania z drugim, potrzebna jest energia atomowa. Aby zgromadzić taką energię, trzeba było zmusić jądra do przejścia przez różnicę potencjałów rzędu 1 miliona V. I tak, gdy w 1930 roku otrzymano puste rurki, w których udało się wytworzyć różnice potencjałów większe niż 0,5 milionów V, natychmiast wykorzystano je do wpływania na jądra atomowe.

Trzeba powiedzieć, że takich rur nie uzyskano dzięki fizyce jądra atomowego, ale elektrotechnice w związku z problemem przesyłania energii na duże odległości.

Od dawna marzeniem elektrotechniki wysokiego napięcia jest przejście z prądu przemiennego na prąd stały. Aby to zrobić, musisz mieć możliwość zamiany prądu przemiennego wysokiego napięcia na prąd stały i odwrotnie.

Właśnie w tym, do dziś nieosiągalnym, stworzono lampy, w których jądra wodoru przechodziły przez ponad 0,5 miliona V i otrzymywały wysoką energię kinetyczną. To osiągnięcie techniczne natychmiast wykorzystano i w Cambridge podjęto próbę skierowania tych szybkich cząstek do jąder różne atomy.

Naturalnie, w obawie, że wzajemne odpychanie nie pozwoli na spotkanie jąder, wzięli jądra o najniższym ładunku. Proton ma najmniejszy ładunek. Dlatego w pustej rurze przepływ jąder wodoru przeszedł przez różnicę potencjałów do 700 tys. V. W przyszłości pozwólcie, aby energię, którą ładunek elektronu lub protonu otrzyma po przejściu 1 V, nazwać elektronowoltem. Protony, otrzymując energię około 0,7 miliona eV, skierowano na preparat zawierający lit.

Lit zajmuje trzecie miejsce w układzie okresowym. Jego masa atomowa wynosi 7; ma 3 protony i 4 neutrony. Kiedy do jądra litu wejdzie inny proton i połączy się z nim, otrzymamy układ 4 protonów i 4 neutronów, tj. czwartym pierwiastkiem jest beryl o masie atomowej 8. Takie jądro berylu rozpada się na dwie połowy, z których każda ma masę atomową 4 i ładunek 2, tj. jest jądrem helu.

Rzeczywiście, to właśnie zaobserwowano. Kiedy lit został zbombardowany protonami, wyrzucone zostały jądra helu; Co więcej, można stwierdzić, że 2 cząstki b o energii 8,5 miliona eV wylatują jednocześnie w przeciwnych kierunkach.

Z tego doświadczenia możemy wyciągnąć dwa wnioski. Po pierwsze, otrzymaliśmy hel z wodoru i litu. Po drugie, wydawszy jeden proton o energii 0,5 miliona eV (a wtedy 70 000 eV okazało się wystarczające), otrzymaliśmy 2 cząstki, z których każda ma 8,5 miliona eV, tj. 17 milionów eV.

W procesie tym przeprowadziliśmy zatem reakcję, której towarzyszyło wyzwolenie energii z jądra atomowego. Wydając zaledwie 0,5 miliona eV, otrzymaliśmy 17 milionów – 35 razy więcej.

Ale skąd bierze się ta energia? Oczywiście prawo zachowania energii nie jest naruszane. Jak zawsze mamy do czynienia z przemianą jednego rodzaju energii w drugi. Doświadczenie pokazuje, że nie ma potrzeby szukać tajemniczych, nieznanych jeszcze źródeł.

Widzieliśmy już, że masa mierzy ilość energii zmagazynowanej w ciele. Gdybyśmy wyemitowali energię 17 milionów eV, to powinniśmy się spodziewać, że zapas energii w atomach zmniejszył się, a co za tym idzie, zmniejszył się ich ciężar (masa).

Przed zderzeniem mieliśmy jądro litu, którego dokładna masa atomowa wynosi 7,01819, oraz wodór, którego masa atomowa wynosi 1,00813; zatem przed spotkaniem suma mas atomowych wynosiła 8,02632, a po zderzeniu uwolniły się 2 cząsteczki helu, których masa atomowa wynosiła 4,00389. Oznacza to, że dwa jądra helu mają masę atomową 8,0078. Jeśli porównamy te liczby, okaże się, że zamiast sumy mas atomowych pozostaje 8,026, 8,008; masa spadła o 0,018 jednostki.

Masa ta powinna dawać energię 17,25 mln eV, a w rzeczywistości zmierzono 17,13 mln. Lepszego zbiegu okoliczności nie można się spodziewać.

Czy można powiedzieć, że rozwiązaliśmy problem alchemii – przemiany jednego pierwiastka w drugi – i problem pozyskiwania energii z rezerw wewnątrzatomowych?

To p jest prawdziwe i fałszywe. Źle w praktycznym tego słowa znaczeniu. Przecież mówiąc o możliwości przekształcenia pierwiastków, oczekujemy uzyskania takich ilości substancji, z którymi będzie można coś zrobić. To samo dotyczy energii.

Z jednego rdzenia faktycznie otrzymaliśmy 35 razy więcej energii, niż wydaliśmy. Czy jednak możemy uczynić to zjawisko podstawą technicznego wykorzystania wewnątrzjądrowych rezerw energii?

Niestety nie. Z całego strumienia protonów około jeden na milion napotka po drodze jądro litu; 999 999 innych protopopów wpada do jądra i marnuje swoją energię. Faktem jest, że nasza „artyleria strzela” strumieniami protonów do jąder atomów bez „wzroku”. Dlatego z miliona tylko jeden wpadnie do jądra; ogólny bilans jest nieopłacalny. Do „bombardowania” rdzenia używa się ogromnej maszyny, która zużywa duża liczba prąd elektryczny, w wyniku czego zostaje wyrzuconych kilka atomów, których energii nie można wykorzystać nawet w przypadku małej zabawki.

Tak było 9 lat temu. Jak to się dalej rozwinęło Fizyka nuklearna? Dzięki odkryciu neutronów mamy pocisk, który może dotrzeć do dowolnego jądra, ponieważ nie ma między nimi sił odpychania. Dzięki temu możliwe jest obecnie przeprowadzanie reakcji w całym układzie okresowym przy użyciu neutronów. Nie ma takiego elementu, którego nie dałoby się przemienić w inny. Możemy na przykład zamienić rtęć w złoto, ale w znikomych ilościach. Odkryto, że istnieje wiele różnych kombinacji protonów i neutronów.

Mendelejew wyobrażał sobie, że są 92 różne atomy, a każda komórka odpowiada jednemu typowi atomu. Weźmy 17. komórkę, zajętą ​​przez chlor; dlatego chlor jest pierwiastkiem, którego jądro ma 17 ładunków; liczba w nim może wynosić 18 lub 20; wszystkie one będą różnie zbudowanymi jądrami o różnych masach atomowych, ale ponieważ ich ładunki są takie same, są to jądra tego samego pierwiastka chemicznego. Nazywamy je izotopami chloru. Z chemicznego punktu widzenia izotopy są nie do odróżnienia; dlatego Mendelejew podejrzewał ich istnienie. Liczba różnych jąder jest zatem znacznie większa niż 92. Obecnie znamy około 350 różnych stabilnych jąder, które znajdują się w 92 komórkach układu okresowego, a ponadto około 250 jąder radioaktywnych, które podczas rozpadu emitują promienie - protony, neutrony, pozytony, elektrony, promienie G (fotony) itp.

Oprócz tych substancji radioaktywnych, które występują w przyrodzie (są to najcięższe pierwiastki układu okresowego), mamy teraz możliwość sztucznego wytwarzania dowolnych substancji radioaktywnych, składających się zarówno z atomów lekkich, jak i średnich i ciężkich. W szczególności możemy otrzymać radioaktywny sód.Jeżeli zjemy sól kuchenną, która zawiera radioaktywny sód, możemy śledzić ruch radioaktywnych atomów sodu w organizmie. Atomy radioaktywne są znakowane, emitują promienie, które możemy wykryć i za ich pomocą prześledzić drogę danej substancji w dowolnym żywym organizmie.

W ten sam sposób wprowadzając do wnętrza atomy radioaktywne związki chemiczne, możemy prześledzić całą dynamikę procesu, kinetykę Reakcja chemiczna. Poprzednie metody determinowały końcowy wynik reakcji, ale teraz możemy obserwować cały jej przebieg.

Stanowi to potężne narzędzie do dalszych badań w dziedzinie chemii, biologii i geologii; w rolnictwie możliwe będzie monitorowanie ruchu wilgoci w glebie, ruchu składniki odżywcze, po przejściu do korzeni roślin itp. To, czego do tej pory nie mogliśmy bezpośrednio zobaczyć, staje się dostępne.

Wróćmy do pytania, czy możliwe jest pozyskiwanie energii z rezerw wewnątrzjądrowych?

Dwa lata temu wydawało się to zadaniem beznadziejnym. To prawda, było jasne, że poza granicami tego, co było znane dwa lata temu, istniał ogromny obszar nieznanego, ale

Nie widzieliśmy żadnych konkretnych sposobów wykorzystania energii jądrowej.

Pod koniec grudnia 1938 roku odkryto zjawisko, które całkowicie zmieniło sytuację w kwestii. Jest to zjawisko rozpadu uranu.

Rozpad uranu znacznie różni się od innych znanych wcześniej procesów rozpadu radioaktywnego, podczas których pewna cząstka - proton, pozyton, elektron - wylatuje z jądra. Kiedy neutron uderza w jądro uranu, można powiedzieć, że jądro rozpada się na 2 części. Jak się okazuje, podczas tego procesu z jądra emitowanych jest jeszcze kilka neutronów. A to prowadzi do następującego wniosku.

Wyobraź sobie, że neutron wleciał w masę uranu, spotkał się z niektórymi jej jądrami, rozszczepił je, uwalniając ogromną ilość energii, aż do około 160 milionów eV, a dodatkowo wylatują również 3 neutrony, które spotkają sąsiedni uran jądra, dzieląc je, każde ponownie wyemituje 160 milionów eV i ponownie da 3 neutrony.

Łatwo sobie wyobrazić, jak ten proces będzie się rozwijał. Jedno rozszczepione jądro wytworzy 3 neutrony. Spowodują one podział trzech nowych, z których każdy da 3 więcej, pojawi się 9, potem 27, potem 81 itd. neutrony. I w nieznacznym ułamku sekundy proces ten rozprzestrzeni się na całą masę jąder uranu.

Aby porównać energię uwalnianą podczas zapadania się uranu z energiami, które znamy, dokonam tego porównania. Każdy atom substancji palnej lub wybuchowej uwalnia około 10 eV energii, ale tutaj jedno jądro uwalnia 160 milionów eV. W rezultacie jest tu 16 milionów razy więcej energii, niż jest uwalniana materiał wybuchowy. Oznacza to, że nastąpi eksplozja, której siła jest 16 milionów razy większa niż eksplozja najpotężniejszego materiału wybuchowego.

Często, zwłaszcza w naszych czasach, jako nieunikniony skutek imperialistycznego etapu rozwoju kapitalizmu, osiągnięcia naukowe używany podczas wojny do eksterminacji ludzi. Ale to naturalne, że myślimy o wykorzystaniu ich dla dobra człowieka.

Takie skoncentrowane rezerwy energii mogą zostać wykorzystane jako siła napędowa całej naszej technologii. Jak to zrobić, jest oczywiście zadaniem całkowicie niejasnym. Nowe źródła energii nie mają gotowej technologii. Będziemy musieli stworzyć to jeszcze raz. Ale przede wszystkim musisz nauczyć się wytwarzać energię. Na drodze do tego celu nadal istnieją nieprzezwyciężone trudności.

Uran zajmuje 92. miejsce w układzie okresowym, ma 92 ładunki, ale istnieje kilka izotopów. Jeden ma masę atomową 238, drugi - 234, trzeci - 235. Ze wszystkich tych różnych uranów lawina energii może rozwinąć się tylko w uranie 235, ale tylko w 0,7% · Prawie 99% to uran-238, który ma właściwość przechwytywania neutronów po drodze. Neutron wyemitowany z jądra uranu-235, zanim dotrze do innego jądra uranu-235, zostanie przechwycony przez jądro uranu-238. Lawina nie będzie rosła. Ale takiego zadania nie można łatwo porzucić. Jedynym wyjściem jest produkcja uranu zawierającego prawie wyłącznie uran-235.

Do tej pory jednak izotopy można było rozdzielić jedynie w ilościach ułamków miligrama, a żeby wywołać lawinę trzeba było mieć kilka ton uranu-235. Od ułamków miligrama do kilku ton droga jest tak daleka, że ​​wygląda jak science fiction, a nie prawdziwe zadanie. Ale nawet jeśli nie znamy obecnie tanich i powszechnych sposobów separacji izotopów, nie oznacza to, że wszystkie drogi do tego są zamknięte. Dlatego zarówno radzieccy, jak i zagraniczni naukowcy pilnie pracują obecnie nad metodami separacji izotopów.

Możliwy jest jednak także inny sposób zmieszania uranu z substancją, która niewiele absorbuje, ale silnie rozprasza i spowalnia neutrony. Fakt jest taki powolne neutrony, rozszczepiające uran-235, nie są zatrzymywane przez uran-238. Pozycja w ten moment jest to, że proste podejście nie prowadzi do celu, ale wciąż istnieją różne możliwości, bardzo złożone, trudne, ale nie beznadziejne. Gdyby jedna z tych dróg doprowadziła do celu, przypuszczalnie wywołałaby rewolucję we wszelkiej technologii, która w swoim znaczeniu przewyższałaby pojawienie się maszyny parowej i elektryczności.

Nie ma zatem powodu sądzić, że problem został rozwiązany, że wystarczy nauczyć się korzystać z energii, a całą starą technologię można wyrzucić do kosza. Nic takiego. Po pierwsze, nie wiemy jeszcze, jak wydobyć energię z uranu, a po drugie, gdyby można było wydobyć p, to jego wykorzystanie wymagałoby dużo czasu i pracy. Ponieważ te kolosalne rezerwy energii istnieją w jądrach, można by pomyśleć, że prędzej czy później zostaną znalezione sposoby na ich wykorzystanie.

W drodze do zbadania problemu uranu przeprowadzono w Unii niezwykle interesujące badanie. Jest to dzieło dwóch młodych radzieckich naukowców – członka Komsomołu Flerowa i młodego Fizyk radziecki Pietrzaka. Badając zjawisko rozszczepienia uranu, zauważyli, że uran rozpada się sam, bez żadnego wpływu zewnętrznego. Pa 10 milionów promieni alfa emitowanych przez uran, tylko 6 odpowiada fragmentom jego rozpadu. Tylko dzięki doskonałej obserwacji i niezwykłej sztuce eksperymentalnej można było dostrzec te 0 cząstek spośród 10 milionów innych.

Dwóch młodych fizyków stworzyło sprzęt, który był 40 razy czulszy od czegokolwiek dotychczas znanego, a jednocześnie na tyle dokładny, że mogli śmiało przypisać tym 6 punktom na 10 milionów rzeczywistą wartość. Następnie po kolei I Systematycznie sprawdzali swoje wnioski i stanowczo ustalili nowe zjawisko samorzutnego rozpadu uranu.

Praca ta wyróżnia się nie tylko wynikami, wytrwałością, ale także subtelnością eksperymentu, ale także pomysłowością autorów. Biorąc pod uwagę, że jeden z nich ma 27 lat, a drugi 32, to można od nich wiele oczekiwać. Praca ta została zgłoszona do Nagrody Stalinowskiej.

Zjawisko odkryte przez Flerova i Pietrzaka pokazuje, że pierwiastek 92 jest niestabilny. To prawda, że ​​zapadnięcie się połowy wszystkich dostępnych jąder uranu zajmie 1010 lat. Ale staje się jasne dlaczego układ okresowy kończy się na tym elemencie.

Cięższe elementy będą jeszcze bardziej niestabilne. Są szybciej niszczone i dlatego nie przetrwały u nas. To, że tak jest, zostało ponownie potwierdzone bezpośrednim doświadczeniem. Możemy wyprodukować 93 - t i pierwiastek 94, ale żyją bardzo krótko, poniżej 1000 lat.*

Jak więc widać, praca ta ma fundamentalne znaczenie. Nie tylko odkryte nowy fakt, ale jedna z tajemnic układu okresowego została wyjaśniona.

Badanie jądra atomowego otworzyło perspektywy wykorzystania rezerw wewnątrzatomowych, ale jak dotąd nie dało technologii niczego realnego. Wydaje się, że tak. Ale tak naprawdę cała energia, którą wykorzystujemy w technologii, to w całości energia jądrowa. Właściwie skąd czerpiemy energię z węgla, ropy, skąd elektrownie wodne czerpią energię?

Dobrze wiecie, że energia promieni słonecznych, pochłonięta przez zielone liście roślin, magazynowana jest w postaci węgla, promienie słoneczne odparowując wodę, podnoszą ją i wylewają w postaci deszczu na wysokościach, w w formie rzek górskich dostarczają energię do elektrowni wodnych.

Wszystkie rodzaje energii, z których korzystamy, pozyskiwane są ze Słońca. Słońce emituje ogromną ilość energii nie tylko w kierunku Ziemi, ale we wszystkich kierunkach, i mamy podstawy sądzić, że Słońce istnieje od setek miliardów lat. Jeśli policzymy, ile energii wyemitowano w tym czasie, pojawia się pytanie – skąd ta energia pochodzi, gdzie jest jej źródło?

Wszystko, co mogliśmy wcześniej wymyślić, okazało się niewystarczające i dopiero teraz wydaje się, że otrzymaliśmy właściwą odpowiedź. Źródłem energii nie tylko Słońca, ale także innych gwiazd (nasze Słońce nie różni się pod tym względem od innych gwiazd) są reakcje jądrowe. W centrum gwiazdy, dzięki sile grawitacji, panuje kolosalne ciśnienie i bardzo wysoka temperatura - 20 milionów stopni. W takich warunkach jądra atomów często zderzają się ze sobą, a podczas tych zderzeń zachodzą reakcje jądrowe, których przykładem jest bombardowanie litu protonami.

Jądro wodoru zderza się z jądrem węgla o masie atomowej 12, wytwarzając azot 13, który zamienia się w węgiel 13, emitując dodatni pozyton. Następnie nowy węgiel 13 zderza się z innym jądrem wodoru i tak dalej. Kończysz z tym samym węglem 12, od którego wszystko się zaczęło. Węgiel przeszedł tutaj jedynie przez różne etapy i brał udział jedynie jako katalizator. Jednak zamiast 4 jąder wodoru pod koniec reakcji pojawiło się nowe jądro helu i dwa dodatkowe ładunki dodatnie.

Wewnątrz wszystkich gwiazd dostępne rezerwy wodoru przekształcają się w hel w wyniku takich reakcji, a tutaj jądra stają się bardziej złożone. Powstaje z najprostszych jąder wodoru następny element- hel. Ilość energii uwolnionej w tym przypadku, jak pokazują obliczenia, dokładnie odpowiada energii emitowanej przez gwiazdę. Dlatego gwiazdy nie ochładzają się. Oczywiście stale uzupełniają zapasy energii, o ile jest zapas wodoru.

Podczas rozpadu uranu mamy do czynienia z zapadnięciem się ciężkich jąder i ich przemianą w znacznie lżejsze.

W cyklu zjawisk naturalnych widzimy zatem dwa skrajne ogniwa – najcięższe rozpadają się, najlżejsze łączą się oczywiście w zupełnie innych warunkach.

Tutaj zrobiliśmy pierwszy krok w stronę problemu ewolucji pierwiastków.

Widzicie, że zamiast śmierci termicznej, którą przewidywała fizyka ubiegłego stulecia, przewidywanej, jak zauważył Engels, bez dostatecznych podstaw, opierając się wyłącznie na prawach zjawisk termicznych, po 80 latach pojawiły się znacznie silniejsze procesy, które wskazują na to, że nam jakiś cykl energetyczny w przyrodzie, do tego, że w niektórych miejscach dochodzi do komplikacji, a w innych do rozpadu materii.

Przejdźmy teraz od jądra atomowego do jego powłoki, a następnie do dużych ciał składających się z ogromnej liczby atomów.

Kiedy po raz pierwszy dowiedzieli się, że atom składa się z jądra złożonego z p elektronów, elektrony wydawały się najbardziej elementarną, najprostszą ze wszystkich formacji. Były to ujemne ładunki elektryczne, których masa i ładunek były znane. Należy pamiętać, że masa nie oznacza ilość materii, ale ilość energii, jaką posiada substancja.

Znaliśmy więc ładunek elektronu, znaliśmy jego masę, a ponieważ nie wiedzieliśmy o nim nic więcej, wydawało się, że nie ma już nic więcej do powiedzenia. Aby przypisać mu kształt rozproszony, sześcienny, wydłużony lub płaski, trzeba było mieć jakieś powody, ale nie było powodów. Uznano zatem, że jest to kula o wymiarach 2 x 10" i 2 cm. Nie było jasne, w jaki sposób ładunek ten znajdował się: na powierzchni kuli, czy wypełniając jej objętość?

Kiedy faktycznie zbliżyliśmy się do elektronów w atomie i zaczęliśmy badać ich właściwości, ta pozorna prostota zaczęła zanikać.

Wszyscy czytaliśmy wspaniałą książkę Lenina „Materializm i empiriokrytyka”, napisaną w 1908 r., tj. w czasach, gdy elektrony wydawały się najprostszymi i najbardziej niepodzielnymi ładunkami elementarnymi. Następnie Lenin wskazywał, że elektron nie może być ostatnim elementem naszej wiedzy o przyrodzie, że w elektronie z biegiem czasu ujawni się nowa odmiana, jeszcze nam wówczas nieznana. Ta przepowiednia, podobnie jak wszystkie inne przewidywania V.I. Lenin w tej wspaniałej książce został już uzasadniony. Elektron ma moment magnetyczny. Okazało się, że elektron jest nie tylko ładunkiem, ale także magnesem. Stwierdzono również, że posiada moment obrotowy, tzw. spin. Ponadto okazało się, że chociaż elektron porusza się po jądrze, podobnie jak planety wokół Słońca, ale w przeciwieństwie do planet może poruszać się tylko po ściśle określonych orbitach kwantowych, może mieć dobrze określone energie i nie może mieć energii pośrednich.

Okazało się, że wynika to z faktu, że sam ruch elektronów w atomie bardzo niejasno przypomina ruch kuli po jej orbicie. Prawa ruchu elektronów są bliższe prawom propagacji fal, takich jak fale świetlne.

Okazuje się, że ruch elektronów podlega prawom ruchu falowego, które stanowią treść mechaniki falowej. Obejmuje nie tylko ruch elektronów, ale także wszelkiego rodzaju dość małych cząstek.

Widzieliśmy już, że elektron o małej masie może zamienić się w mezon o masie 200 razy większej i odwrotnie, mezon rozpada się i pojawia się elektron o masie 200 razy mniejszej. Widzisz, że prostota elektronu zniknęła.

Jeśli elektron może znajdować się w dwóch stanach: o niskiej i wysokiej energii, to nie jest to takie proste ciało. W konsekwencji prostota elektronu w 1908 roku była prostotą pozorną, odzwierciedlającą niekompletność naszej wiedzy. Jest to o tyle ciekawe, że stanowi jeden z przykładów błyskotliwej przewidywalności poprawnej filozofii naukowej, jaką wyraził tak wybitny mistrz, który opanował metodę dialektyczną jak Lenin.

Ale czy prawa ruchu elektronów w atomie o wielkości 100 milionowych centymetra mają praktyczne znaczenie?

Na to odpowiada stworzony dla ostatnie lata optyka elektroniczna. Ponieważ ruch elektronu odbywa się zgodnie z prawami propagacji fal świetlnych, przepływy elektronów powinny rozchodzić się w przybliżeniu w taki sam sposób, jak promienie świetlne. Rzeczywiście, takie właściwości odkryto w elektrodach.

Idąc tą drogą, w ostatnich latach udało się rozwiązać bardzo ważny problem praktyczny – stworzyć mikroskop elektronowy. Mikroskop optyczny dał człowiekowi wynik o ogromnym znaczeniu. Wystarczy przypomnieć, że cała nauka o drobnoustrojach i powodowanych przez nie chorobach, wszelkie metody ich leczenia opierają się na faktach, które można zaobserwować pod mikroskopem. W ostatnich latach pojawiło się wiele powodów, aby sądzić, że drobnoustroje nie ograniczają się do organiczny światże istnieją pewne żywe formacje, których rozmiar jest znacznie mniejszy niż drobnoustroje. I tu natrafiliśmy na przeszkodę zdawałoby się nie do pokonania.

Mikroskop wykorzystuje fale świetlne. Za pomocą fal świetlnych, niezależnie od tego, jakiego układu soczewek użyjemy, nie da się zbadać obiektów wielokrotnie mniejszych od fali świetlnej.

Długość fali światła jest bardzo małą wartością, mierzoną w dziesiątych części mikrona. Mikron to tysięczna część milimetra. Oznacza to, że w dobrym mikroskopie można dostrzec wartości rzędu 0,0002 – 0,0003 mm, natomiast nawet mniejszych już nie. Mikroskop jest tu bezużyteczny, ale tylko dlatego, że nie wiemy, jak robić dobre mikroskopy, ale dlatego, że taka jest natura światła.

Jakie jest najlepsze wyjście? Potrzebne jest światło o krótszej długości fali. Im krótsza długość fali, tym mniejsze obiekty możemy zobaczyć. Cała linia rozum kazał nam sądzić, że istnieją małe organizmy, które są niedostępne dla mikroskopu, a jednak je mają bardzo ważne w świecie roślin i zwierząt, powodując szereg chorób. Są to tak zwane wirusy, filtrowalne i niefiltrowalne. Nie zostały wykryte przez fale świetlne.

Przepływ elektronów przypomina fale świetlne. Można je skoncentrować w taki sam sposób jak promienie światła i stworzyć kompletny pozór optyki. Nazywa się to optyką elektronową. W szczególności możliwe jest także zastosowanie mikroskopu elektronowego, tj. to samo urządzenie, które za pomocą elektronów stworzy bardzo powiększony obraz małych obiektów. Rolę okularów spełnią pola elektryczne i magnetyczne, które oddziałują na ruch elektronów niczym soczewka na promienie świetlne. Ale długość fal elektronowych jest 100 razy krótsza niż fal świetlnych, dlatego za pomocą mikroskopu elektronowego można zobaczyć ciała 100 razy mniejsze, nie 10 tysięcznych milimetra, ale milionową część milimetra i milionową milimetr to już rozmiar dużych cząsteczek.

Druga różnica polega na tym, że oczami widzimy światło, ale nie możemy zobaczyć elektronu. Ale to nie jest aż tak duża wada. Jeśli nie widzimy elektronów, to miejsca, w które spadają, będą wyraźnie widoczne. Powodują one świecenie ekranu lub czernienie kliszy fotograficznej, dzięki czemu możemy przyjrzeć się fotografii obiektu. Mikroskop elektronowy zbudowano i otrzymaliśmy mikroskop o powiększeniu nie 2000-3000, a 150-200 tys. razy, zaznaczający obiekty 100 razy mniejsze od tych, które są dostępne dla mikroskopu optycznego. Wirusy natychmiast zmieniły się z hipotezy w fakt. Możesz przestudiować ich zachowanie. Można nawet zobaczyć zarys złożonych cząsteczek. Tym samym otrzymaliśmy nowe, potężne narzędzie do badania przyrody.

Wiadomo, jak ogromną rolę odegrał mikroskop w biologii, chemii i medycynie. Pojawienie się nowej broni być może spowoduje jeszcze większy krok naprzód i otworzy przed nami nowe, nieznane wcześniej obszary. Trudno przewidzieć, co zostanie odkryte w tym milionowym świecie, ale można sądzić, że tak – Nowa scena nauki przyrodnicze, elektrotechnika i wiele innych dziedzin wiedzy.

Jak widać z pytań teoria fal materię z jej dziwnymi, niezwykłymi pozycjami, szybko przeszliśmy do rzeczywistych i praktycznie ważnych wyników.

Optyka elektronowa służy nie tylko do tworzenia nowego typu mikroskopu. Jego wartość rośnie niezwykle szybko. Ograniczę się jednak tylko do rozważenia przykładu jego zastosowania.

Ponieważ mówię o większości współczesne problemy fizykom, nie będę wyjaśniał teorii atomu, która została ukończona w 1930 roku: jest to raczej problem wczorajszy.

Teraz interesuje nas, w jaki sposób atomy łączą się, tworząc ciała fizyczne, które można zważyć na wadze, można odczuć ich ciepło, wielkość czy twardość, z którymi mamy do czynienia w życiu, technologii itp.

Jak właściwości atomów manifestują się w ciałach stałych? Przede wszystkim okazuje się, że prawa kwantowe odkryte w poszczególnych atomach zachowują w pełni swoje zastosowanie do całych ciał. Zarówno w poszczególnych atomach, jak i w całym ciele elektrony zajmują tylko ściśle określone pozycje i mają tylko pewne, ściśle określone energie.

Elektron w atomie może znajdować się tylko w pewnym stanie ruchu, a ponadto w każdym takim stanie może znajdować się tylko jeden elektron. W atomie nie mogą znajdować się dwa elektrony znajdujące się w tym samym stanie. Jest to również jedno z głównych założeń teorii atomu.

Tak więc, gdy atomy łączą się w ogromnych ilościach, tworzą się solidny- kryształ, to w tak dużych ciałach nie mogą znajdować się dwa elektrony, które zajmowałyby ten sam stan.

Jeżeli liczba stanów dostępnych elektronom jest dokładnie równa liczbie elektronów, to każdy stan jest zajęty przez jeden elektron i nie ma już żadnych stanów wolnych. W takim ciele elektrony są związane. Aby zaczęły się poruszać w określonym kierunku, tworząc przepływ prądu elektrycznego, czyli inaczej mówiąc, ciało przewodzi prąd elektryczny, konieczna jest zmiana stanu elektronów. Wcześniej poruszali się w prawo, ale teraz muszą się poruszać na przykład w lewo; Pod wpływem sił elektrycznych energia musi wzrosnąć. W konsekwencji stan ruchu elektronu musi się zmienić i w tym celu konieczne jest przejście do innego stanu, innego niż poprzedni, ale jest to niemożliwe, ponieważ wszystkie stany są już zajęte. Nie ma takich organów właściwości elektryczne nie pokazuj. Są to izolatory, w których nie może płynąć prąd pomimo kolosalnej ilości elektronów.

Weź inną sprawę. Liczba wolnych miejsc jest znacznie większa niż liczba znajdujących się w nich elektronów. Wtedy elektrony są wolne. Elektrony w takim ciele, chociaż jest ich nie więcej niż w izolatorze, mogą zmieniać swój stan, swobodnie przemieszczać się w prawo lub w lewo, zwiększać lub zmniejszać swoją energię itp. Takie ciała są metalami.

Otrzymujemy w ten sposób bardzo prostą definicję, które ciała przewodzą prąd elektryczny, a które są izolatorami. To rozróżnienie obejmuje wszystkie fizyczne i właściwości fizykochemiczne ciało stałe.

W metalu energia wolnych elektronów przeważa nad energią cieplną jego atomów. Elektrony mają tendencję do przechodzenia do stanu o najniższej możliwej energii. To określa wszystkie właściwości metalu.

Tworzenie związków chemicznych, np. pary wodnej z wodoru i tlenu, zachodzi w ściśle określonych proporcjach, określonych przez wartościowość - jeden atom tlenu łączy się z dwoma atomami wodoru, dwie wartościowości atomu tlenu są nasycone dwiema wartościowościami dwóch atomów wodoru.

Ale w metalu sytuacja jest inna. Stopy dwóch metali tworzą związki nie wtedy, gdy ich ilości są w stosunku do ich wartościowości, ale wtedy, gdy np. stosunek liczby elektronów w danym metalu do liczby atomów w tym metalu wynosi 21:13. W tych związkach nie ma nic lepszego niż wartościowość; związki powstają, gdy elektrony otrzymują najmniejszą energię, tak że o związkach chemicznych w metalach decyduje w znacznie większym stopniu stan elektronów niż siły walencyjne atomów. Dokładnie w ten sam sposób stan elektronów determinuje wszystkie właściwości sprężyste, wytrzymałość i optykę metalu.

Oprócz dwóch skrajnych przypadków: metali, w których wszystkie elektrony są wolne, oraz izolatorów, w których wszystkie stany są wypełnione elektronami i nie obserwuje się żadnych zmian w ich rozmieszczeniu, istnieje również ogromna różnorodność ciał, które nie przewodzą prądu elektrycznego jak również metal, ale także nie, nie wykonują go całkowicie. To są półprzewodniki.

Półprzewodniki to bardzo szeroka i różnorodna dziedzina substancji. Cała nieorganiczna część otaczającej nas przyrody, wszystkie minerały, wszystkie są półprzewodnikami.

Jak to się stało, że cały ten rozległy obszar wiedzy nie został jeszcze przez nikogo zbadany? Minęło zaledwie 10 lat, odkąd rozpoczęliśmy pracę nad półprzewodnikami. Dlaczego? Bo głównie nie miały zastosowania w technice. Jednak około 10 lat temu półprzewodniki po raz pierwszy weszły do ​​elektrotechniki i od tego czasu zaczęto je z niezwykłą szybkością stosować w wielu różnych gałęziach elektrotechniki.

Rozumienie półprzewodników opiera się całkowicie na samym teoria kwantowa, co okazało się tak owocne w badaniu pojedynczego atomu.

Pozwólcie, że zwrócę Waszą uwagę na jedną interesującą stronę tych materiałów. Poprzednio bryła była reprezentowana w tej formie. Atomy łączą się w jeden układ, nie są one połączone w sposób przypadkowy, ale każdy atom jest łączony z sąsiednim atomem w takich pozycjach, w takich odległościach, przy których ich energia byłaby minimalna.

Jeśli jest to prawdą dla jednego atomu, to jest to prawdą dla wszystkich pozostałych. Zatem całe ciało jako całość wielokrotnie powtarza te same układy atomów w ściśle określonej odległości od siebie, tak że uzyskuje się siatkę regularnie ułożonych atomów. Rezultatem jest kryształ o dobrze zdefiniowanych krawędziach i określonych kątach między krawędziami. To jest manifestacja zlecenie wewnętrzne w układzie poszczególnych atomów.

Jednak ten obraz jest tylko przybliżony. Faktycznie ruch termiczny i rzeczywiste warunki wzrostu kryształów powodują, że poszczególne atomy są wyrywane z miejsc na inne miejsca, część atomów wychodzi i jest usuwana do środowisko. Są to izolowane zakłócenia w odosobnionych miejscach, ale prowadzą do ważnych rezultatów.

Okazuje się, że wystarczy zwiększyć ilość tlenu zawartego w tlenku miedziawym lub zmniejszyć ilość miedzi o 1%, aby przewodność elektryczna wzrosła milion razy, a wszystkie inne właściwości zmieniły się diametralnie. Zatem niewielkie zmiany w strukturze substancji pociągają za sobą ogromne zmiany jej właściwości.

Naturalnie, po przestudiowaniu tego zjawiska, możemy za jego pomocą świadomie zmieniać półprzewodniki w pożądanym przez nas kierunku, zmieniać ich przewodność elektryczną, właściwości cieplne, magnetyczne i inne zgodnie z potrzebami rozwiązania danego problemu.

Opierając się na teorii kwantowej i ucząc się z doświadczeń naszego laboratorium i zakładu produkcyjnego, staramy się rozwiązywać problemy techniczne związane z półprzewodnikami.

W technologii półprzewodniki po raz pierwszy zastosowano w prostownikach prądu przemiennego. Jeśli płyta miedziana zostanie utleniona w wysokiej temperaturze, tworząc na niej tlenek miedzi, to taka płyta ma bardzo ciekawe właściwości. Gdy prąd przepływa w jednym kierunku, jego rezystancja jest niewielka i uzyskuje się znaczny prąd. Kiedy przepływa prąd odwrotny kierunek stwarza ogromny opór, a prąd w przeciwnym kierunku okazuje się znikomy.

Właściwość tę wykorzystał amerykański inżynier Grondahl do „prostowania” prądu przemiennego. Prąd przemienny zmienia swój kierunek 100 razy na sekundę; Jeśli umieścisz taką płytkę na ścieżce prądu, wówczas zauważalny prąd będzie płynął tylko w jednym kierunku. Nazywamy to prostowaniem prądu.

W Niemczech zaczęto stosować do tego celu płyty żelazne pokryte selenem. Tutaj reprodukowano wyniki uzyskane w Ameryce i Niemczech; opracowano technologię fabrycznej produkcji wszystkich prostowników stosowanych w przemyśle amerykańskim i niemieckim. Ale oczywiście nie to było głównym zadaniem. Należało, wykorzystując naszą wiedzę o półprzewodnikach, podjąć próbę stworzenia lepszych prostowników.

W pewnym stopniu nam się to udało. B.V. Kurczatow i Yu.A. Dunaevowi udało się stworzyć nowy prostownik, który idzie znacznie dalej niż to, co jest znane w zagranicznej technologii. Prostownik z tlenku miedzi, który ma postać płytki o szerokości około 80 mm i długości 200 mm, prostuje prądy rzędu 10-15 A.

Miedź jest drogim i rzadkim materiałem, ale prostowniki wymagają wielu, wielu ton miedzi.

Prostownik Kurczatowa to mały aluminiowy kubek, do którego wlewa się pół grama siarczku miedzi i który zamyka się metalowym korkiem z izolacją mikową. To wszystko. Prostownik taki nie wymaga nagrzewania w piekarnikach, prostuje prądy rzędu 60 A. Lekkość, wygoda i niski koszt dają mu przewagę nad typami istniejącymi za granicą.

W 1932 roku Lange w Niemczech zauważył, że ten sam tlenek miedzi ma właściwość wytwarzania prądu elektrycznego pod wpływem światła. To solidna fotokomórka. W odróżnieniu od innych, wytwarza prąd bez użycia baterii. Więc otrzymujemy energia elektryczna ze względu na światło - maszynę fotoelektryczną, ale ilość odbieranej energii elektrycznej jest bardzo mała. W tych ogniwach słonecznych tylko 0,01-0,02% energii świetlnej zamieniane jest na energię prąd elektryczny, ale mimo to Lange zbudował mały silnik, który obraca się, jeśli zostanie wystawiony na działanie słońca.

Kilka lat później w Niemczech wyprodukowano fotokomórkę selenową, która wytwarza około 3-4 razy większy prąd niż ogniwo z tlenkiem miedziawym, a współczynnik przydatna akcja który sięga 0,1%.

Próbowaliśmy zbudować jeszcze bardziej zaawansowaną fotokomórkę, co udało się firmie B.T. Kołomiets i Yu.P. Masłakowiec. Ich fotokomórka wytwarza prąd 60 razy większy niż tlenek miedzi i 15-20 razy większy niż selen. Jest to również interesujące w tym sensie, że wytwarza prąd z niewidzialnych promieni podczerwonych. Jego czułość jest na tyle duża, że ​​wygodniej okazało się wykorzystanie go do kina dźwiękowego zamiast dotychczas stosowanych typów fotokomórek.

Istniejące ogniwa słoneczne mają baterię, która wytwarza prąd nawet bez oświetlenia; Powoduje to częste trzaski i szumy w głośniku, psując jakość dźwięku. Nasza fotokomórka nie wymaga baterii, siła elektromotoryczna wytwarzana jest przez oświetlenie; Jeśli nie ma światła, prąd nie ma skąd pochodzić. Dlatego instalacje dźwiękowe zasilane tymi fotokomórkami wytwarzają czysty dźwięk. Instalacja jest wygodna także pod innym względem. Ponieważ nie ma baterii, nie ma potrzeby podłączania przewodów, eliminuje się szereg dodatkowych urządzeń, kaskadę fotowzmacniacza itp.

Najwyraźniej te fotokomórki oferują pewne korzyści dla kina. Taka instalacja działa od około roku w teatrze demonstracyjnym w Leningradzkim Domu Kina, a teraz, po tym, główne kina na Newskim Prospekcie - „Tytan”, „Październik”, „Aurora” przechodzą na te fotokomórki.

Dodam do tych dwóch przykładów trzeci, który w ogóle jeszcze nie jest ukończony, a mianowicie zastosowanie półprzewodników w termoelementach.

Od dłuższego czasu używamy termopar. Wykonane są z metali i służą do pomiaru temperatury i energii promieniowania ciał świetlistych lub nagrzanych; ale zwykle prądy z tych termoelementów są bardzo słabe, mierzone są za pomocą galwanometrów. Półprzewodniki wytwarzają znacznie wyższy emf niż zwykłe metale i dlatego stanowią szczególne zalety w przypadku termoelementów, które są dalekie od stosowania.

Obecnie próbujemy wykorzystać badane półprzewodniki do termoelementów i osiągnęliśmy pewien sukces. Jeżeli podgrzejemy jedną stronę wykonanej przez nas małej płytki o 300-400°, otrzymamy prąd o natężeniu około 50 A i napięciu około 0,1 V.

Od dawna wiadomo, że z termoelementów można uzyskać duże prądy, jednak w porównaniu z tym, co osiągnięto w tym kierunku za granicą, na przykład w Niemczech, nasze półprzewodniki zapewniają znacznie więcej.

Techniczne znaczenie półprzewodników nie ogranicza się do tych trzech przykładów. Półprzewodniki to główne materiały, na których budowana jest automatyka, systemy alarmowe, telekontrola itp. Wraz z rozwojem automatyzacji rosną różnorodne zastosowania półprzewodników. Jednak z tych trzech przykładów wydaje mi się, że widać, że rozwój teorii okazuje się niezwykle korzystny dla praktyki.

Ale teoria uzyskała tak znaczący rozwój tylko dlatego, że opracowaliśmy ją na podstawie rozwiązania problemy praktyczne dotrzymując kroku fabrykom. Ogromna skala produkcji technicznej, pilne potrzeby, jakie niesie ze sobą produkcja, niezwykle stymulują pracę teoretyczną, zmuszając za wszelką cenę do wychodzenia z trudności i rozwiązywania problemów, które bez niej prawdopodobnie zostałyby porzucone.

Jeśli nie mamy przed sobą problemu technicznego, studiujemy to, co nas interesuje zjawisko fizyczne, staramy się to zrozumieć, sprawdzając nasze pomysły eksperymentami laboratoryjnymi; jednocześnie czasami udaje się znaleźć właściwe rozwiązania i upewnić się, że są one prawidłowe. Następnie drukujemy Praca naukowa uznając swoje zadanie za zakończone. Jeśli? Zawsze, gdy teoria nie ma uzasadnienia lub odkrywane są nowe zjawiska, które do niej nie pasują, staramy się ją rozwijać i modyfikować. Nie zawsze możliwe jest uwzględnienie całego zakresu materiału doświadczalnego. Wtedy uznajemy pracę za porażkę i nie publikujemy wyników naszych badań. Często jednak w tych zjawiskach, których nie rozumiemy, kryje się coś nowego, co nie mieści się w teorii, co wymaga porzucenia tego i zastąpienia go zupełnie innym podejściem do zagadnienia i inną teorią.

Produkcja masowa nie toleruje wad. Błąd natychmiast wpłynie na pojawienie się kaprysów w produkcji. Dopóki pewien aspekt sprawy nie zostanie wyjaśniony, produkt techniczny nie jest dobry i nie może zostać wydany. Za wszelką cenę musimy dowiedzieć się wszystkiego, objąć te procesy, które nie zostały jeszcze wyjaśnione teoria fizyczna. Nie możemy przestać, dopóki nie znajdziemy wyjaśnienia, a wtedy nie będziemy mieli pełnej, znacznie głębszej teorii.

Dla połączenia teorii z praktyką, dla rozkwitu nauki nigdzie nie ma tak sprzyjających warunków jak w pierwszym kraju socjalizmu.

Każda teoria fizyczna, która jest sprzeczna

istnienie człowieka jest oczywiście fałszywe.

P. Davisa

To, czego potrzebujemy, to darwinowski pogląd na fizykę, ewolucyjny pogląd na fizykę, biologiczny pogląd na fizykę.

I. Prigogine

Do 1984 roku większość naukowców wierzyła w tę teorię supersymetria (supergrawitacja, supersiły) . Jego istotą jest to, że wszystkie cząstki (cząstki materii, grawitony, fotony, bozony i gluony) - różne rodzaje jedną „supercząstkę”.

Ta „supercząstka” lub „super siła” wraz ze spadkiem energii jawi się nam pod różnymi postaciami, jako oddziaływania silne i słabe, jako oddziaływania elektromagnetyczne i siła grawitacji. Ale dzisiaj eksperyment nie osiągnął jeszcze energii, aby przetestować tę teorię (potrzebny jest cyklotron wielkości Układu Słonecznego), ale testowanie na komputerze zajęłoby ponad 4 lata. S. Weinberg uważa, że ​​fizyka wkracza w epokę, w której eksperymenty nie są już w stanie rzucić światła na podstawowe problemy (Davis 1989; Hawking 1990: 134; Nalimov 1993: 16).

W latach 80 staje się popularne teoria strun . W 1989 roku ukazała się książka o charakterystycznym tytule, pod redakcją P. Davisa i J. Browna Superstruny: teoria wszystkiego ? Zgodnie z teorią mikrocząstki nie są obiektami punktowymi, ale cienkimi kawałkami sznurka, określonymi przez ich długość i otwartość. Cząstki to fale biegnące wzdłuż strun, jak fale na linie. Emisja cząstki jest połączeniem, absorpcja cząstki nośnej jest separacją. Słońce oddziałuje na Ziemię poprzez grawiton biegnący wzdłuż struny (Hawking 1990: 134-137).

Kwantowa teoria pola umieściło nasze myśli o naturze materii w nowym kontekście i rozwiązało problem pustki. Zmusiła nas do przeniesienia spojrzenia z tego, co „można zobaczyć”, czyli cząstek, na to, co niewidzialne, czyli pole. Obecność materii to po prostu wzbudzony stan pola w danym punkcie. Dochodząc do koncepcji pola kwantowego, fizyka znalazła odpowiedź na stare pytanie, z czego składa się materia – z atomów czy kontinuum, które leży u podstaw wszystkiego. Pole jest kontinuum przenikającym cały Pr, które jednak ma rozciągniętą, jakby „ziarnistą” strukturę w jednym ze swoich przejawów, to znaczy w postaci cząstek. Kwantowa teoria pola współczesnej fizyki zmieniła poglądy na temat sił i pomaga w rozwiązaniu problemów osobliwości i pustki:

    w fizyce subatomowej nie ma sił działających na odległość, zastępuje je interakcja między cząstkami zachodzącymi poprzez pola, czyli inne cząstki, nie siła, ale interakcja;

    należy porzucić opozycję cząstek „materialnych” i pustki; cząstki są powiązane z Pr i nie można ich rozpatrywać w oderwaniu od niego; cząstki wpływają na strukturę Pr, nie są to niezależne cząstki, ale raczej skrzepy w nieskończonym polu, które przenika całe Pr;

    z czego narodził się nasz Wszechświat osobliwość, niestabilność próżni;

    pole istnieje zawsze i wszędzie: nie może zniknąć. Pole jest przewodnikiem wszelkich zjawisk materialnych. Jest to „pustka”, z której proton tworzy π-mezony. Pojawianie się i znikanie cząstek to tylko formy ruchu pola. Teoria pola to stwierdza narodziny cząstek z próżni i przemiana cząstek w próżnię zachodzą stale. Większość fizyków uważa odkrycie dynamicznej istoty i samoorganizacji próżni za jedno z najważniejszych osiągnięć współczesnej fizyki (Capra 1994: 191-201).

Ale są też problemy nierozwiązane: odkryto ultraprecyzyjną samospójność struktur próżniowych, poprzez którą wyrażane są parametry mikrocząstek. Struktury próżniowe muszą być dopasowane do 55. miejsca po przecinku. Za tą samoorganizacją próżni kryją się prawa nowego, nam nieznanego typu. Zasada antropiczna 35 jest konsekwencją tej samoorganizacji, supermocarstwa.

Teoria macierzy S opisuje hadrony, kluczową koncepcję teorii zaproponował W. Heisenberg, na tej podstawie naukowcy zbudowali model matematyczny opisujący oddziaływania silne. Macierz S otrzymała swoją nazwę, ponieważ cały zestaw reakcji hadronowych był reprezentowany w postaci nieskończonej sekwencji komórek, co w matematyce nazywa się macierzą. Z pełnej nazwy tej macierzy zachowała się litera „S” – macierz rozpraszania (Capra 1994: 232-233).

Ważną innowacją tej teorii jest to, że przenosi ona akcent z obiektów na zdarzenia; badane są nie cząstki, ale reakcje cząstek. Według Heisenberga świat dzieli się nie na różne grupy obiektów, ale na różne grupy wzajemnych przemian. Wszystkie cząstki są rozumiane jako etapy pośrednie w sieci reakcji. Na przykład neutron okazuje się ogniwem w ogromnej sieci interakcji, sieci „przeplatających się zdarzeń”. Interakcji w takiej sieci nie można określić ze 100% dokładnością. Można im przypisać jedynie cechy probabilistyczne.

W kontekście dynamicznym neutron można uznać za „stan związany” protonu (p) i pionu (), z których powstał, a także stan związany cząstek  i , które są powstał w wyniku jego rozkładu. Reakcje hadronowe to przepływ energii, w którym cząstki pojawiają się i „znikają” (Capra 1994: 233-249).

Dalszy rozwój teorii macierzy S doprowadził do jej powstania hipoteza bootstrapowa , co wysunęło J. Chu. Zgodnie z hipotezą bootstrap żadna z właściwości jakiejkolwiek części Wszechświata nie jest fundamentalna, wszystkie są zdeterminowane właściwościami innych części sieci, której ogólną strukturę wyznacza uniwersalna spójność wszystkich relacji.

Teoria ta zaprzecza bytom podstawowym („cegiełkom” materii, stałym, prawom, równaniom); Wszechświat rozumiany jest jako dynamiczna sieć wzajemnie powiązanych zdarzeń.

W przeciwieństwie do większości fizyków Chu nie marzy o jednym decydującym odkryciu; widzi swoje zadanie jako powolne i stopniowe tworzenie sieci powiązanych ze sobą koncepcji, z których żadna nie jest bardziej fundamentalna od pozostałych. W teorii cząstek bootstrap nie ma ciągłego Pr-Vr. Rzeczywistość fizyczna opisana jest w kategoriach izolowanych zdarzeń, powiązanych przyczynowo, ale nie objętych ciągłym Pr-Vr. Hipoteza bootstrap jest tak obca tradycyjnemu myśleniu, że akceptuje ją mniejszość fizyków. Większość poszukuje podstawowych składników materii (Capra 1994: 258-277, 1996: 55-57).

Teorie fizyki atomowej i subatomowej ujawniły fundamentalne wzajemne powiązania różnych aspektów istnienia materii, odkrywając, że energię można przekształcić w masę i sugerując, że cząstki są raczej procesami niż przedmiotami.

Choć poszukiwania elementarnych składników materii trwają do dziś, w fizyce zaprezentowano inny kierunek, polegający na tym, że budowy wszechświata nie da się sprowadzić do żadnych podstawowych, elementarnych, skończonych jednostek (pola podstawowe, cząstki „elementarne” ). Naturę należy rozumieć w sposób samospójny. Idea ta zrodziła się w zgodzie z teorią macierzy S, a później stała się podstawą hipotezy bootstrap (Nalimov 1993: 41-42; Capra 1994: 258-259).

Chu miał nadzieję przeprowadzić syntezę zasad teorii kwantowej, teorii względności (koncepcja makroskopowego Pr-Vr), charakterystyk obserwacji i pomiarów w oparciu o logiczną spójność swojej teorii. Podobny program opracowany przez D. Bohma i stworzony teoria ukryta zamówienie . Wprowadził to określenie zimny ruch , który służy do oznaczenia podstawy bytów materialnych i uwzględnia zarówno jedność, jak i ruch. Punktem wyjścia Bohma jest koncepcja „niepodzielnej całości”. Kosmiczna tkanina ma ukryty, złożony porządek, który można opisać za pomocą analogii do hologramu, w którym każda część zawiera całość. Jeśli oświetlisz każdą część hologramu, cały obraz zostanie przywrócony. Pewne pozory porządku implikatywnego są wspólne zarówno świadomości, jak i materii, więc mogą ułatwić komunikację między nimi. Być może w świadomości zawalił się cały świat materialny(Bohm 1993: 11; Capra 1996: 56)!

Koncepcje Chu i Bom zakładają włączenie świadomości w ogólne powiązanie wszystkich rzeczy. Doprowadzone do logicznego wniosku stwierdzają, że istnienie świadomości, wraz z istnieniem wszystkich innych aspektów natury, jest konieczne dla spójności całości (Capra 1994: 259, 275).

Takie filozoficzne problem umysłu i materii (problem obserwatora, problem związku świata semantycznego i fizycznego) staje się poważnym problemem w fizyce, „wymykającym się” filozofom, można to ocenić na podstawie:

    odrodzenie idei panpsychizmu w próbie wyjaśnienia zachowania mikrocząstek R. Feynman pisze 36, że cząstka „decyduje”, „przemyśla”, „wącha”, „wyczuwa”, „idzie właściwą drogą” (Feynman i in. 1966: 109);

    niemożność oddzielenia podmiotu od przedmiotu w mechanice kwantowej (W. Heisenberg);

    silna zasada antropiczna w kosmologii, która zakłada świadome stworzenie życia i człowieka (D. Carter);

    hipotezy o słabych formach świadomości, świadomości kosmicznej (Nalimov 1993: 36-37, 61-64).

Fizycy starają się włączyć świadomość do obrazu świata fizycznego. W książce P. Davisa, J. Browna Duch w atomie mówi o roli procesu pomiarowego w mechanice kwantowej. Obserwacja natychmiast zmienia stan układu kwantowego. Zmiana stanu psychicznego eksperymentatora wchodzi w sprzężenie zwrotne ze sprzętem laboratoryjnym i, , Z układ kwantowy, zmieniając swój stan. Według J. Jeansa natura i nasz matematycznie myślący umysł działają według tych samych praw. V.V. Nalimov znajduje paralele w opisie dwóch światów, fizycznego i semantycznego:

    rozpakowany próżnia fizyczna– możliwość spontanicznego tworzenia cząstek;

    rozpakowana próżnia semantyczna – możliwość spontanicznych narodzin tekstów;

    rozpakowanie próżni to narodziny cząstek i tworzenie tekstów (Nalimov 1993:54-61).

V.V. Nalimov pisał o problemie fragmentacji nauki. Konieczne będzie uwolnienie się od lokalności opisu wszechświata, w którym naukowiec zajmuje się badaniem określonego zjawiska jedynie w ramach swojej wąskiej specjalności. Istnieją procesy, które zachodzą w podobny sposób na różnych poziomach Wszechświata i wymagają jednego, całościowego opisu (Nalimov 1993: 30).

Ale jak dotąd współczesny fizyczny obraz świata jest zasadniczo niekompletny: najtrudniejszym problemem w fizyce jest problem łączenia poszczególnych teorii, na przykład teoria względności nie obejmuje zasady nieoznaczoności, teoria grawitacji nie jest zawarta w teorii 3 oddziaływań, a w chemii nie bierze się pod uwagę budowy jądra atomowego.

Nie rozwiązano także problemu łączenia 4 typów interakcji w ramach jednej teorii. Do lat 30. wierzył, że na poziomie makro istnieją 2 rodzaje sił - grawitacyjne i elektromagnetyczne, ale odkrył słabe i silne oddziaływania jądrowe. Odkryto świat wewnątrz protonu i neutronu (próg energetyczny jest wyższy niż w centrum gwiazd). Czy odkryte zostaną inne „elementarne” cząstki?

Związany jest z nim problem unifikacji teorii fizycznych problem uzyskiwania wysokich energii . Jest mało prawdopodobne, aby przy pomocy akceleratorów udało się zbudować pomost pomiędzy energią Plancka (wyższą niż 10 18 gigaelektronowoltów) a tym, co osiąga się dzisiaj w laboratorium w dającej się przewidzieć przyszłości.

W modelach matematycznych teorii supergrawitacji pojawia się problem nieskończoności . Równania opisujące zachowanie mikrocząstek dają nieskończone liczby. Jest jeszcze inny aspekt tego problemu – stare filozoficzne pytania: czy świat w Pr-Vr jest skończony czy nieskończony? Jeśli Wszechświat rozszerza się z osobliwości wymiarów Plancka, to gdzie się rozszerza – w próżnię, czy może rozciąga się matrix? Co otaczało osobliwość – ten nieskończenie mały punkt przed nadejściem inflacji, czy też nasz świat „oddzielił się” od Megaświata?

W teoriach strun nieskończoności również są zachowane, ale powstają problem wielowymiarowości Pr-Vr, na przykład elektron to mała wibrująca struna o długości Plancka w 6-wymiarowym, a nawet 27-wymiarowym Pr. Istnieją inne teorie, według których nasz Pr nie jest tak naprawdę trójwymiarowy, ale np. 10-wymiarowy. Zakłada się, że we wszystkich kierunkach z wyjątkiem 3 (x, y, z) Pr jest jakby zwinięty w bardzo cienką rurkę, „zagęszczony”. Dlatego możemy poruszać się tylko w 3 różnych, niezależnych kierunkach, a Pr wydaje nam się trójwymiarowy. Ale dlaczego, jeśli istnieją inne środki, wdrożono tylko 3 środki PR i 1 środki VR? S. Hawking ilustruje podróż w różnych wymiarach na przykładzie pączka: dwuwymiarowa ścieżka wzdłuż powierzchni pączka jest dłuższa niż droga przez trzeci, wolumetryczny wymiar (Linde 1987: 5; Hawking 1990: 138).

Innym aspektem problemu wielowymiarowości jest problem innych, nie jednowymiarowy dla nas światy. Czy istnieją równoległe wszechświaty, które nie są dla nas jednowymiarowe i wreszcie, czy mogą istnieć inne formy życia i inteligencji, które nie są dla nas jednowymiarowe? Teoria strun dopuszcza istnienie we Wszechświecie innych światów, istnienie 10- lub 26-wymiarowego Pr-Vr. Ale jeśli istnieją inne środki, dlaczego ich nie zauważamy?

W fizyce i całej nauce pojawia się problem stworzenia języka uniwersalnego : Naszych zwykłych pojęć nie można zastosować do budowy atomu. W abstrakcyjnym sztucznym języku fizyki, matematyki, procesów, wzorców współczesnej fizyki Nie są opisane. Co oznaczają takie cechy cząstek, jak „czarowany” lub „dziwny” posmak kwarku lub cząstki „schizoidalne”? To jeden z wniosków płynących z książki Tao Fizyki F. Capra. Jakie jest wyjście: powrót do agnostycyzmu, wschodniej filozofii mistycznej?

Heisenberg uważał: schematy matematyczne lepiej odzwierciedlają eksperyment niż sztuczny język; do budowy atomu nie można zastosować zwykłych pojęć; Born pisał o problemie symboli odzwierciedlających rzeczywiste procesy (Heisenberg 1989: 104-117).

Może spróbuj wyliczyć podstawową macierz języka naturalnego (rzecz – połączenie – właściwość i atrybut), coś, co będzie niezmienne dla wszelkich artykulacji i nie krytykując różnorodności języków sztucznych, spróbuj „zmusić” do mówienia jednym wspólnym językiem naturalnym ? W artykule omówiono strategiczną rolę synergetyki i filozofii w rozwiązaniu problemu stworzenia uniwersalnego języka nauki Filozofia dialektyczna i synergetyka (Fedorowicz 2001: 180-211).

Stworzenie jednolitej teorii fizycznej i teorii ludzkiej energii, jednolitego E człowieka i natury jest niezwykle wymagające zadanie Nauki. Jedno z najważniejszych pytań współczesnej filozofii nauki brzmi: czy nasza przyszłość jest z góry określona i jaka jest nasza rola? Jeśli jesteśmy częścią natury, czy możemy odegrać jakąś rolę w kształtowaniu świata, który jest w budowie?

Jeśli Wszechświat jest jeden, to czy może istnieć jednolita teoria rzeczywistości? S. Hawking rozważa 3 możliwości odpowiedzi.

    Istnieje jednolita teoria i pewnego dnia ją stworzymy. I. Newton tak uważał; M. Urodzony w 1928 r., po odkryciu przez P. Diraca równania elektronu, pisał: fizyka skończy się za sześć miesięcy.

    Teorie są stale udoskonalane i udoskonalane. Z punktu widzenia epistemologii ewolucyjnej postęp naukowy– doskonalenie kompetencji poznawczych gatunek homo Sapiens (K. Halweg). Wszystko koncepcje naukowe a teorie są jedynie przybliżeniami prawdziwej natury rzeczywistości, istotnymi tylko dla pewnego zakresu zjawisk. mi wiedza naukowa istnieje seria modeli, ale żaden nie jest ostateczny.

Paradoks ewolucyjnego obrazu świata nie został jeszcze rozwiązany: spadkowy kierunek E w fizyce i wzrostowy trend złożoności w biologii. Niezgodność fizyki i biologii odkryto w XIX wieku, dziś istnieje możliwość rozwiązania zderzenia fizyka-biologia: ewolucyjne spojrzenie na Wszechświat jako całość, przełożenie podejścia ewolucyjnego na fizykę (Stopin, Kuznetsova 1994: 197). -198; Khazen 2000).

I. Prigogine, którego E. Toffler we wstępie do książki Porządek z chaosu zwany Newtonem XX wieku, mówił w jednym ze swoich wywiadów o konieczności wprowadzenia do fizyki idei nieodwracalności i historii. Nauka klasyczna opisuje stabilność, równowagę, ale jest inny świat - niestabilny, ewolucyjny, trzeba innych słów, innej terminologii, która nie istniała w czasach Newtona. Ale nawet po Newtonie i Einsteinie nie mamy jasnej formuły na istotę świata. Przyroda jest zjawiskiem bardzo złożonym, a my jesteśmy jej integralną częścią, częścią Wszechświata, który podlega ciągłemu samorozwojowi (Horgan 2001: 351).

Możliwe perspektywy rozwoju fizyki co następuje: zakończenie budowy jednolitej teorii fizycznej opisującej trójwymiarowość świat fizyczny i penetracja innych wymiarów Pr-Vr; badanie nowych właściwości materii, rodzajów promieniowania, energii i prędkości przekraczających prędkość światła (promieniowanie torsyjne) oraz odkrycie możliwości chwilowego ruchu w metagalaktyce (szereg prac teoretycznych wykazało możliwość istnienia topologicznych tunele łączące dowolne regiony Metagalaktyki, MV); ustanowienie połączenia między światem fizycznym a światem semantycznym, co próbował zrobić V.V. Nalimov (Gindilis 2001: 143-145).

Ale najważniejszą rzeczą, którą fizycy muszą zrobić, to włączyć ideę ewolucji do swoich teorii. W fizyce drugiej połowy XX wieku. zrozumienie złożoności mikro- i megaświatów. Zmienia się także idea fizycznego Wszechświata E: nie ma istnienia bez powstawania . D. Horgan cytuje następujące słowa I. Prigożyna: nie jesteśmy ojcami czasu. Jesteśmy dziećmi czasu. Pojawiliśmy się w wyniku ewolucji. Musimy włączyć do naszych opisów modele ewolucyjne. Potrzebujemy darwinowskiego spojrzenia na fizykę, ewolucyjnego spojrzenia na fizykę, biologicznego spojrzenia na fizykę (Prigogine 1985; Horgan 2001: 353).

  • Fizyka
    • Tłumaczenie

    Nasz standardowy model cząstki elementarne a interakcje stały się ostatnio tak kompletne, jak można było sobie tego życzyć. Każda cząstka elementarna – we wszystkich jej możliwych formach – została stworzona w laboratorium, zmierzona i określona jej właściwości. Ofiarą naszych możliwości padły te najdłużej działające, kwark górny, antykwark, neutrino i antyneutrino tau, aż w końcu bozon Higgsa.

    A ten ostatni – bozon Higgsa – również rozwiązał stary problem fizyczny: w końcu możemy wykazać, skąd cząstki elementarne biorą swoją masę!

    Wszystko fajnie, ale nauka nie kończy się, gdy skończysz rozwiązywać tę zagadkę. Wręcz przeciwnie, stawia ważne pytania, a jedno z nich brzmi: „co dalej?” Jeśli chodzi o Model Standardowy, można powiedzieć, że nie wiemy jeszcze wszystkiego. A dla większości fizyków jedno pytanie jest szczególnie ważne – aby je opisać, rozważmy najpierw następującą właściwość Modelu Standardowego.


    Z jednej strony bardzo ważne mogą być siły słabe, elektromagnetyczne i silne, w zależności od ich energii i odległości, na jakich zachodzi interakcja. Ale tak nie jest w przypadku grawitacji.

    Możemy wziąć dowolne dwie cząstki elementarne – o dowolnej masie i podlegające dowolnym interakcjom – i odkryć, że grawitacja jest o 40 rzędów wielkości słabsza od jakiejkolwiek innej siły we Wszechświecie. Oznacza to, że siła grawitacji jest 10 40 razy słabsza od pozostałych trzech sił. Na przykład, chociaż nie są one fundamentalne, jeśli weźmiemy dwa protony i oddzielimy je o metr, odpychanie elektromagnetyczne między nimi będzie 10 40 razy silniejsze niż przyciąganie grawitacyjne. Innymi słowy, musimy zwiększyć siłę grawitacji o współczynnik 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, aby zrównać się z jakąkolwiek inną siłą.

    W tym przypadku nie można po prostu zwiększyć masy protonu 10 20 razy, aby grawitacja przyciągnęła je do siebie, pokonując siłę elektromagnetyczną.

    Zamiast tego, aby reakcje takie jak ta zilustrowana powyżej zaszły spontanicznie, gdy protony pokonują swoje odpychanie elektromagnetyczne, należy zebrać razem 10 56 protonów. Tylko łącząc się i ulegając sile grawitacji, mogą pokonać elektromagnetyzm. Okazuje się, że 10 56 protonów stanowi minimalną możliwą masę gwiazdy.

    To jest opis działania Wszechświata, ale nie wiemy, dlaczego działa on w taki, a nie inny sposób. Dlaczego grawitacja jest o wiele słabsza niż inne oddziaływania? Dlaczego „ładunek grawitacyjny” (tj. masa) jest o wiele słabszy od elektrycznego lub koloru, a nawet słaby?

    Jest to problem hierarchii i z wielu powodów największy nierozwiązany problem w fizyce. Nie znamy odpowiedzi, ale nie możemy powiedzieć, że jesteśmy całkowitymi ignorantami. Teoretycznie mamy kilka dobrych pomysłów na znalezienie rozwiązania i narzędzie do znajdowania dowodów na ich poprawność.

    Jak dotąd Wielki Zderzacz Hadronów – zderzacz o najwyższej energii – osiągnął niespotykany dotąd poziom energii w laboratorium, zebrał mnóstwo danych i zrekonstruował to, co wydarzyło się w punktach zderzenia. Obejmuje to powstawanie nowych, niewidzianych dotąd cząstek (takich jak bozon Higgsa) i pojawianie się starych, dla każdego znane cząstki Model Standardowy (kwarki, leptony, bozony cechujące). Jest także zdolny, jeśli istnieją, do wytwarzania innych cząstek nieujętych w Modelu Standardowym.

    Znam cztery możliwe sposoby — czyli cztery dobre pomysły — rozwiązania problemu hierarchii. Dobra wiadomość jest taka, że ​​jeśli natura wybierze jednego z nich, LHC go znajdzie! (A jeśli nie, wyszukiwanie będzie kontynuowane).

    Oprócz odkrytego kilka lat temu bozonu Higgsa, w LHC nie odkryto żadnych nowych cząstek elementarnych. (Co więcej, nie zaobserwowano żadnych intrygujących nowych kandydatów na cząstki). A jednak znaleziona cząstka w pełni odpowiadała opisowi Modelu Standardowego; nie zaobserwowano żadnych statystycznie istotnych śladów nowej fizyki. Ani do łączenia bozonów Higgsa, ani do wielu cząstek Higgsa, ani do niestandardowych rozpadów, nic podobnego.

    Ale teraz zaczęliśmy zbierać dane z jeszcze wyższych energii, dwukrotnie większych, aż do 13-14 TeV, aby znaleźć coś innego. A jakie są możliwe i rozsądne rozwiązania Problemy z hierarchią?

    1) Supersymetria lub SUSY. Supersymetria to szczególna symetria, która może powodować, że normalne masy dowolnych cząstek wystarczająco duże, aby grawitacja była porównywalna z innymi wpływami, znoszą się wzajemnie z dużą precyzją. Ta symetria sugeruje również, że każda cząstka w modelu standardowym ma supercząstkę-partnera oraz że istnieje pięć cząstek Higgsa i ich pięciu superpartnerów. Jeśli taka symetria istnieje, należy ją złamać, w przeciwnym razie superpartnerzy mieliby takie same masy jak zwykłe cząstki i zostaliby odnalezieni dawno temu.

    Jeżeli SUSY istnieje w skali odpowiedniej do rozwiązania problemu hierarchii, to LHC osiągając energie 14 TeV powinien znaleźć przynajmniej jednego superpartnera, a także drugą cząstkę Higgsa. W przeciwnym razie istnienie bardzo poważnych superpartnerów samo w sobie doprowadzi do kolejnego problemu hierarchii, który nie będzie miał dobrego rozwiązania. (Co ciekawe, brak cząstek SUSY przy wszystkich energiach obaliłby teorię strun, ponieważ supersymetria jest warunkiem koniecznym dla teorii strun zawierających standardowy model cząstek elementarnych).

    Oto pierwsze możliwe rozwiązanie problemu hierarchii, na które obecnie nie ma dowodów.

    Możliwe jest tworzenie maleńkich superchłodzonych wsporników wypełnionych kryształami piezoelektrycznymi (które w przypadku odkształcenia wytwarzają prąd) z zachowaniem odpowiednich odległości między nimi. Technologia ta pozwala nam nałożyć limity 5-10 mikronów na „duże” pomiary. Innymi słowy, grawitacja działa zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności w skalach znacznie mniejszych niż milimetr. Jeśli więc istnieją duże dodatkowe wymiary, to znajdują się one na poziomach energii niedostępnych dla LHC i, co ważniejsze, nie rozwiązują problemu hierarchii.

    Oczywiście dla problemu hierarchii może istnieć zupełnie inne rozwiązanie, którego nie można znaleźć na nowoczesnych zderzaczach lub nie ma go w ogóle; może to być po prostu właściwość natury, bez żadnego wyjaśnienia. Ale nauka nie rozwinie się bez prób i właśnie to mają na celu te idee i zadania: poszerzyć naszą wiedzę o wszechświecie. I jak zawsze, wraz z rozpoczęciem drugiego przebiegu LHC, nie mogę się doczekać, aby zobaczyć, co może się tam pojawić, poza już odkrytym bozonem Higgsa!

    Tagi:

    • powaga
    • podstawowe interakcje
    • czołg
    Dodaj tagi

    Poniżej znajduje się lista nierozwiązane problemy współczesnej fizyki. Niektóre z tych problemów mają charakter teoretyczny. Oznacza to, że istniejące teorie nie są w stanie wyjaśnić pewnych obserwowanych zjawisk wyniki eksperymentalne. Inne problemy mają charakter eksperymentalny, co oznacza, że ​​istnieją trudności w stworzeniu eksperymentu sprawdzającego proponowaną teorię lub bardziej szczegółowego badania zjawiska. Poniższe problemy są albo podstawowymi problemami teoretycznymi, albo koncepcjami teoretycznymi, dla których nie ma dowodów eksperymentalnych. Niektóre z tych problemów są ze sobą ściśle powiązane. Na przykład dodatkowe wymiary lub supersymetria mogą rozwiązać problem hierarchii. Uważa się, że pełna teoria grawitacji kwantowej jest w stanie odpowiedzieć na większość wymienionych pytań (z wyjątkiem problemu wyspy stabilności).

    • 1. Grawitacja kwantowa. Czy jest to możliwe dla mechaniki kwantowej i ogólna teoria teorię względności połączyć w jedną, spójną teorię (być może kwantową teorię pola)? Czy czasoprzestrzeń jest ciągła, czy dyskretna? Czy spójna teoria będzie wykorzystywać hipotetyczny grawiton, czy też będzie w całości produktem dyskretnej struktury czasoprzestrzeni (jak w przypadku pętlowej grawitacji kwantowej)? Czy istnieją odchylenia od przewidywań ogólnej teorii względności dla bardzo małych lub bardzo dużych skal lub innych ekstremalnych okoliczności, które wynikają z teorii grawitacji kwantowej?
    • 2. Czarne dziury, zanik informacji w czarnej dziurze, promieniowanie Hawkinga. Czy czarne dziury wytwarzają promieniowanie cieplne, jak przewiduje teoria? Czy to promieniowanie zawiera informacje o ich wewnętrznej strukturze, jak sugeruje dualizm niezmienności grawimetrów, czy też nie, jak wynika z oryginalnych obliczeń Hawkinga? Jeśli nie, a czarne dziury mogą stale parować, to co dzieje się z przechowywaną w nich informacją (mechanika kwantowa nie przewiduje niszczenia informacji)? Lub promieniowanie zatrzyma się w pewnym momencie czarna dziura mało zostało? Czy istnieje inny sposób badania ich wewnętrznej struktury, jeśli taka struktura w ogóle istnieje? Czy we wnętrzu czarnej dziury obowiązuje zasada zachowania ładunku barionowego? Dowód zasady kosmicznej cenzury, jak również dokładne sformułowanie warunków, w jakich jest ona realizowana, nie są znane. Nie ma kompletnej i kompletnej teorii magnetosfery czarnych dziur. Dokładny wzór na obliczenie liczby różnych stanów układu, którego zapadnięcie prowadzi do powstania czarnej dziury o określonej masie, momencie pędu i ładunku, nie jest znany. Nie ma znanego dowodu w ogólnym przypadku „twierdzenia o braku włosów” dla czarnej dziury.
    • 3. Wymiar czasoprzestrzeni. Czy w przyrodzie istnieją dodatkowe wymiary czasoprzestrzeni oprócz czterech, które znamy? Jeśli tak, jaka jest ich liczba? Czy wymiar „3+1” (lub wyższy) jest aprioryczną właściwością Wszechświata, czy też jest wynikiem innych procesów fizycznych, jak sugeruje na przykład teoria przyczynowej dynamicznej triangulacji? Czy możemy eksperymentalnie „obserwować” wyższe wymiary przestrzenne? Czy prawdziwa jest zasada holograficzna, zgodnie z którą fizyka naszej czasoprzestrzeni „3+1” jest równoważna fizyce hiperpowierzchni o wymiarze „2+1”?
    • 4. Inflacyjny model Wszechświata. Czy teoria kosmicznej inflacji jest prawdziwa, a jeśli tak, to jakie są szczegóły tego etapu? Jakie jest hipotetyczne pole inflatonowe odpowiedzialne za rosnącą inflację? Jeżeli inflacja wystąpiła w pewnym momencie, czy jest to początek samopodtrzymującego się procesu na skutek inflacji oscylacji mechaniki kwantowej, który będzie kontynuowany w zupełnie innym miejscu, oddalonym od tego punktu?
    • 5. Wieloświat. Czy istnieją fizyczne powody istnienia innych wszechświatów, których zasadniczo nie można zaobserwować? Na przykład: czy istnieją „alternatywne historie” mechaniki kwantowej lub „wiele światów”? Czy istnieją „inne” wszechświaty z prawa fizyczne, wynikające z alternatywnych sposobów łamania pozornej symetrii sił fizycznych przy wysokich energiach, położonych być może niewiarygodnie daleko ze względu na kosmiczną inflację? Czy inne wszechświaty mogą wpływać na nasz, powodując na przykład anomalie w rozkładzie temperatury kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła? Czy uzasadnione jest stosowanie zasady antropicznej do rozwiązywania globalnych dylematów kosmologicznych?
    • 6. Zasada cenzury kosmicznej i hipoteza ochrony chronologii. Czy osobliwości, które nie są ukryte za horyzontem zdarzeń, zwane „nagimi osobliwościami”, mogą powstać z realistycznych warunków początkowych, czy też można udowodnić jakąś wersję „hipotezy kosmicznej cenzury” Rogera Penrose’a, która sugeruje, że jest to niemożliwe? Ostatnio pojawiły się fakty przemawiające za niespójnością hipotezy kosmicznej cenzury, co oznacza, że ​​nagie osobliwości powinny pojawiać się znacznie częściej niż skrajne rozwiązania równań Kerra-Newmana, jednak nie przedstawiono jeszcze na to jednoznacznych dowodów. Podobnie pojawią się zamknięte krzywe czasopodobne, które powstają w niektórych rozwiązaniach równań ogólnej teorii względności (i które implikują możliwość cofania się w czasie) wykluczone przez teorię grawitacji kwantowej, która jednoczy ogólną teorię względności z mechaniką kwantową, jak sugeruje Stephen „przypuszczenie o ochronie chronologii” Hawking?
    • 7. Oś czasu. Co zjawiska różniące się od siebie przesunięciem w czasie do przodu i do tyłu mogą nam powiedzieć o naturze czasu? Czym różni się czas od przestrzeni? Dlaczego naruszenia CP obserwuje się tylko w niektórych słabych interakcjach i nigdzie indziej? Czy naruszenia niezmienności CP są konsekwencją drugiej zasady termodynamiki, czy też stanowią osobną oś czasu? Czy istnieją wyjątki od zasady związku przyczynowego? Czy przeszłość jest jedyną możliwą? Czy chwila obecna fizycznie różni się od przeszłości i przyszłości, czy też jest po prostu wynikiem cech świadomości? Jak ludzie nauczyli się negocjować, jaka jest chwila obecna? (Zobacz także poniżej Entropia (oś czasu)).
    • 8. Miejscowość. Czy w fizyce kwantowej istnieją zjawiska nielokalne? Jeśli istnieją, to czy mają ograniczenia w przekazywaniu informacji, czy też energia i materia mogą poruszać się także po drodze nielokalnej? W jakich warunkach obserwuje się zjawiska nielokalne? Co oznacza obecność lub brak zjawisk nielokalnych dla podstawowej struktury czasoprzestrzeni? Jak to się ma do splątania kwantowego? Jak można to zinterpretować z punktu widzenia prawidłowej interpretacji podstawowej natury fizyki kwantowej?
    • 9. Przyszłość Wszechświata. Czy Wszechświat zmierza w stronę Wielkiego Zamrożenia, Wielkiego Rozdarcia, Wielkiego Kryzysu czy Wielkiego Odbicia? Czy nasz Wszechświat jest częścią nieskończenie powtarzającego się cyklicznego wzorca?
    • 10. Problem hierarchii. Dlaczego grawitacja jest tak słabą siłą? Staje się on duży dopiero w skali Plancka, dla cząstek o energiach rzędu 10 19 GeV, czyli znacznie wyższych niż skala elektrosłaba (w fizyce niskich energii dominująca energia wynosi 100 GeV). Dlaczego te skale tak bardzo się od siebie różnią? Co uniemożliwia wielkościom w skali elektrosłabej, takim jak masa bozonu Higgsa, otrzymanie poprawek kwantowych w skalach rzędu Plancka? Czy supersymetria, dodatkowe wymiary, czy po prostu antropiczne dostrojenie są rozwiązaniem tego problemu?
    • 11. Monopol magnetyczny. Czy w przeszłości istniały cząstki – nośniki „ładunku magnetycznego” o wyższych energiach? Jeśli tak, czy są one dzisiaj dostępne? (Paul Dirac wykazał, że obecność pewnych typów monopoli magnetycznych może wyjaśnić kwantyzację ładunku).
    • 12. Rozpad protonów i wielkie zjednoczenie. Jak możemy ujednolicić trzy różne podstawowe interakcje mechaniki kwantowej kwantowej teorii pola? Dlaczego najlżejszy barion, czyli proton, jest całkowicie stabilny? Jeśli proton jest niestabilny, jaki jest jego okres półtrwania?
    • 13. Supersymetria. Czy w przyrodzie realizuje się supersymetria przestrzeni? Jeśli tak, jaki jest mechanizm łamania supersymetrii? Czy supersymetria stabilizuje skalę elektrosłabą, zapobiegając wysokim poprawkom kwantowym? Czy ciemna materia składa się z lekkich cząstek supersymetrycznych?
    • 14. Pokolenia materii. Czy istnieją więcej niż trzy generacje kwarków i leptonów? Czy liczba pokoleń ma związek z wymiarem przestrzeni? Po co w ogóle istnieją pokolenia? Czy istnieje teoria, która mogłaby wyjaśnić obecność masy w niektórych kwarkach i leptonach w poszczególnych pokoleniach w oparciu o pierwsze zasady (teoria interakcji Yukawy)?
    • 15. Podstawowa symetria i neutrina. Jaka jest natura neutrin, jaka jest ich masa i jak ukształtowały ewolucję Wszechświata? Dlaczego obecnie we Wszechświecie odkrywa się więcej materii niż antymaterii? Jakie niewidzialne siły były obecne u zarania Wszechświata, ale zniknęły z pola widzenia w miarę ewolucji Wszechświata?
    • 16. Kwantowa teoria pola. Czy zasady relatywistycznej lokalnej kwantowej teorii pola są zgodne z istnieniem nietrywialnej macierzy rozpraszania?
    • 17. Cząstki bezmasowe. Dlaczego bezmasowe cząstki bez spinu nie istnieją w przyrodzie?
    • 18. Chromodynamika kwantowa. Jakie są stany fazowe silnie oddziałującej materii i jaką rolę odgrywają w przestrzeni? Jaka jest wewnętrzna struktura nukleonów? Jakie właściwości silnie oddziałującej materii przewiduje QCD? Co kontroluje przejście kwarków i gluonów w pi-mezony i nukleony? Jaka jest rola gluonów i ich interakcji w nukleonach i jądrach? Co definiuje kluczowe cechy QCD i jaki jest ich związek z naturą grawitacji i czasoprzestrzeni?
    • 19. Jądro atomowe i astrofizyka nuklearna. Czym jest natura siły nuklearne, który wiąże protony i neutrony w stabilne jądra i rzadkie izotopy? Jaki jest powód, dla którego proste cząstki łączą się w złożone jądra? Czym jest natura gwiazdy neutronowe i gęsta materia jądrowa? Jakie jest pochodzenie pierwiastków w przestrzeni? Jakie reakcje jądrowe napędzają gwiazdy i powodują ich eksplozję?
    • 20. Wyspa stabilności. Jakie jest najcięższe stabilne lub metastabilne jądro, jakie może istnieć?
    • 21. Mechanika kwantowa i zasada korespondencji (czasami nazywana chaosem kwantowym). Czy istnieją preferowane interpretacje mechaniki kwantowej? W jaki sposób kwantowy opis rzeczywistości, obejmujący takie elementy jak kwantowa superpozycja stanów i załamanie funkcji falowej czy dekoherencja kwantowa, prowadzi do rzeczywistości, którą widzimy? To samo można sformułować za pomocą problemu pomiaru: jaki jest „pomiar”, który powoduje zapadnięcie się funkcji falowej do pewnego stanu?
    • 22. Informacje fizyczne. Czy istnieją zjawiska fizyczne, takie jak czarne dziury lub załamanie funkcji falowej, które trwale niszczą informacje o ich poprzednich stanach?
    • 23. Teoria wszystkiego („Teorie wielkiej unifikacji”). Czy istnieje teoria wyjaśniająca wartości wszystkich podstawowych stałych fizycznych? Czy istnieje teoria wyjaśniająca, dlaczego niezmienność cechowania modelu standardowego jest taka, jaka jest, dlaczego obserwowalna czasoprzestrzeń ma wymiary 3+1 i dlaczego prawa fizyki są takie, jakie są? Czy „podstawowe stałe fizyczne” zmieniają się w czasie? Czy którakolwiek cząstka w standardowym modelu fizyki cząstek faktycznie składa się z innych cząstek powiązanych ze sobą tak ściśle, że nie można ich zaobserwować przy obecnych energiach eksperymentalnych? Czy istnieją cząstki elementarne, których jeszcze nie zaobserwowano, a jeśli tak, to czym są i jakie mają właściwości? Czy istnieją rzeczy nieobserwowalne? siły podstawowe, co sugeruje teoria, wyjaśniając inne nierozwiązane problemy w fizyce?
    • 24. Niezmienniczość miernika. Czy naprawdę istnieją teorie z cechowaniem nieabelowym, w których występuje luka w widmie masowym?
    • 25. Symetria CP. Dlaczego symetria CP nie jest zachowana? Dlaczego jest on zachowywany w większości obserwowanych procesów?
    • 26. Fizyka półprzewodników. Kwantowa teoria półprzewodników nie jest w stanie dokładnie obliczyć pojedynczej stałej półprzewodnika.
    • 27. Fizyka kwantowa. Dokładne rozwiązanie równania Schrödingera dla atomów wieloelektronowych nie jest znane.
    • 28. Rozwiązując problem rozproszenia dwóch wiązek na jednej przeszkodzie, przekrój rozpraszania okazuje się nieskończenie duży.
    • 29. Feynmanium: Co się stanie pierwiastek chemiczny, którego liczba atomowa będzie większa niż 137, w wyniku czego elektron 1s 1 będzie musiał poruszać się z prędkością przekraczającą prędkość światła (wg modelu atomu Bohra)? Czy Feynman jest ostatnim pierwiastkiem chemicznym, który może fizycznie istnieć? Problem może pojawić się wokół elementu 137, gdzie ekspansja rozkładu ładunku jądrowego osiąga swój punkt końcowy. Zobacz artykuł Rozszerzony układ okresowy pierwiastków i sekcję Efekty relatywistyczne.
    • 30. Fizyka statystyczna. Nie ma systematycznej teorii procesów nieodwracalnych, która umożliwiałaby przeprowadzenie obliczeń ilościowych dla dowolnego procesu fizycznego.
    • 31. Elektrodynamika kwantowa. Czy istnieją efekty grawitacyjne spowodowane oscylacjami punktu zerowego? pole elektromagnetyczne? Nie wiadomo, jak to obliczyć elektrodynamika kwantowa w obszarze wysokich częstotliwości spełniają jednocześnie warunki skończoności wyniku, relatywistycznej niezmienności oraz sumy wszystkich alternatywnych prawdopodobieństw równej jedności.
    • 32. Biofizyka. Nie ma ilościowej teorii kinetyki relaksacji konformacyjnej makrocząsteczek białek i ich kompleksów. Nie ma pełnej teorii transferu elektronów w strukturach biologicznych.
    • 33. Nadprzewodnictwo. Nie da się teoretycznie przewidzieć, znając strukturę i skład substancji, czy wraz ze spadkiem temperatury przejdzie ona w stan nadprzewodzący.