Về những vấn đề then chốt của vật lý và vật lý thiên văn

2

Về những vấn đề then chốt của vật lý và chiêm tinh học

Viện sĩ V. L. GINZBURG

Nếu chúng ta ví vật lý như một nhiệm vụ thì đó là một tòa nhà nhiều tầng khổng lồ với nền móng vững chắc, các tầng hầm và các tháp pháo hoạt động hiệu quả. Gần đó có đường hầm dẫn vào các nhà máy, phòng khám, khu đào tạo. Nhiều nghìn người, nhiều phòng thí nghiệm, hàng trăm cơ sở và dụng cụ khác nhau, thư viện lớn, hàng trăm tạp chí… Tòa nhà đang được chuyển giao và mở rộng liên tục. Hàng ngàn vấn đề và bài toán, nhiều vấn đề liên kết với nhau, khó tách biệt khỏi những vấn đề lân cận và nổi bật so với cái chung. Mặt khác, sự khác biệt và phát triển đang diễn ra; mọi người đã làm việc bên nhau nhiều năm nhưng vẫn là những người xa lạ. Tòa nhà bắt đầu giống một căn cứ của người Babylon.

Đồng thời, vật lý được đặc trưng (có lẽ nói đúng hơn - vẫn đặc trưng) bởi sự thống nhất nội tại sâu sắc của các phương pháp. Việc phá hủy tòa nhà chỉ dẫn đến thực tế là việc xác định, theo dõi và sử dụng sự thống nhất này ngày càng trở nên khó khăn hơn. Tuy nhiên, ở cấp độ giảng dạy các nguyên tắc cơ bản của vật lý, bao gồm cả vật lý lý thuyết, các bài kiểm tra đặc biệt

lem không xuất hiện, chúng xuất hiện muộn hơn, chúng đi kèm với chuyên môn hẹp. Đã hơn một lần tôi bắt gặp bức tranh này: à, một sinh viên có năng lực hoặc đã là một nhà khoa học, tác giả của những bài báo gốc, lại có cái nhìn rất hạn hẹp. Giả sử anh ta quen thuộc với những vấn đề sâu sắc và khó khăn của lý thuyết trường lượng tử, nhưng anh ta không có đủ hiểu biết về sao neutron, lỗ đen, chất sắt điện, chất siêu dẫn, gelli-tiri lỏng (³He) và nhiều thứ khác, thậm chí ở mức độ định tính. Trong khi đó, để thành công trong công việc, điều rất quan trọng là phải nhìn thấy một tầm nhìn rộng lớn và trong mọi trường hợp, đừng giới hạn bản thân trong “chủ đề của bạn”. Nhìn chung, công thức nổi tiếng “mọi thứ về một thứ và một thứ gì đó về mọi thứ” là trống rỗng và không theo nghĩa đen, nhưng vẫn phản ánh mục tiêu mà người ta phải phấn đấu.

Tất nhiên, đối với một học sinh, mục tiêu như vậy vẫn còn khá xa trong tương lai, nhưng tôi hoàn toàn tin chắc rằng việc bắt đầu làm điều đó là có thể và cần thiết ngay từ khi còn đi học: không giới hạn chương trình giảng dạy và sách giáo khoa ở trường, làm quen với nhiều thứ, với những thành tựu và khám phá khoa học mới nhất. Tất nhiên, ở đây chúng ta đang nói về sự hiểu biết ở mức độ định tính, ở một khía cạnh nào đó - về bề mặt của sự làm quen. Nhưng điều này không hề nhỏ chút nào và có thể tạo điều kiện thuận lợi rất nhiều cho con đường xa hơn. Vâng, cuối cùng, đối với những người quan tâm đến khoa học, thật thú vị khi biết vật lý, thiên văn học và sinh học “sống và thở” ngày nay như thế nào, không kém phần thú vị so với những người hâm mộ văn học tương ứng đọc về du lịch và phiêu lưu.

Đương nhiên, đối với lời giải cho bài toán bạn cần tài liệu khoa học phổ biến mà học sinh có thể tiếp cận. Hơn 50 năm (!) đã trôi qua, và tôi nhớ với lòng biết ơn vai trò mà cuốn sách “Vật lý ngày nay của chúng ta” của O. D. Khvolson đã đóng đối với tôi trong những năm đi học. Thật không may, tôi không thể kể tên một cuốn sách có bề rộng và chiều sâu tương tự, và vật lý đã phát triển rất nhiều trong thời gian này đến mức,

3

Có lẽ ngày nay chúng ta cần một cách tiếp cận hơi khác để phổ biến. Tôi chỉ muốn nói về một trong những cách có thể ở đây.

Trong số lượng lớn các vấn đề, bài toán và các câu hỏi mà các nhà vật lý và vật lý thiên văn đang nghiên cứu, một số vấn đề được nhấn mạnh do tầm quan trọng tiềm tàng to lớn của chúng đối với công nghệ, sự tồn tại của một số trở ngại khó vượt qua trong các nỗ lực lời giải, độ tinh tế đặc biệt, độ sâu, v.v. Do đó, việc biên soạn một danh sách các vấn đề “đặc biệt quan trọng và thú vị” hoặc “quan trọng” trong vật lý và vật lý thiên văn là có ý nghĩa nhất định. Tất nhiên, danh sách như vậy không thể không có điều kiện, và nói chung, ở đây cần có một số giải thích rõ ràng và bảo lưu, điều này sẽ được thảo luận dưới đây.

Bằng cách này hay cách khác, hơn mười năm trước, tôi đã biên soạn một danh sách tương tự và viết một bài báo cho tạp chí đánh giá “Sự thành công của khoa học vật lý” “Những vấn đề nào trong vật lý và vật lý thiên văn ngày nay có vẻ đặc biệt quan trọng và thú vị?” (UFN, tập 103, trang 87, 1971).

Đồng thời, tôi coi việc biên soạn một danh sách và nhận xét về nó như một kỹ thuật sư phạm theo kiểu câu chuyện mới, một cách để mở rộng tầm nhìn của các nhà vật lý trẻ. Nhưng tôi vẫn chưa biết ý kiến ​​của giới trẻ. Bài báo hoàn toàn bất ngờ này đã mang đến cho tôi một loạt lời chỉ trích từ các nhà vật lý đồng nghiệp thuộc thế hệ trung và lớn tuổi. Một số người trong số họ tin rằng nhìn chung không thể chỉ ra “những vấn đề đặc biệt thú vị và quan trọng”; những người khác sẽ cảm thấy bị xúc phạm nếu danh sách những vấn đề như vậy không bao gồm những vấn đề mà họ gặp phải, v.v., v.v. Tôi không đồng ý với những lời chỉ trích như vậy trong đáp số Tôi đã chuyển bài viết được đề cập thành một cuốn sách nhỏ, đã được dịch sang nhiều thứ tiếng *). Điều sau ít nhất cũng chỉ ra rằng cuộc thảo luận về “các vấn đề chính” là điều đáng quan tâm. Gần đây tôi đã xuất bản một bài báo có tựa đề tương tự như năm 1971, nhưng có phụ đề là “mười năm sau” (UFN, tập 134, tr. 469, 1981).

*) Cuốn sách có tên là “Về Vật lý và Vật lý thiên văn”. Ấn bản mới nhất (thứ ba) được nhà xuất bản Nauka xuất bản năm 1980.

4

Mục đích của nó không phải là nỗ lực tái tạo Dumas mà là mong muốn theo dõi sự phát triển của vật lý và thiên văn học trong thập kỷ (1971-1981) bằng cách sử dụng ví dụ về một số vấn đề chính *).

Tuy nhiên, như người Anh nói, “bằng chứng của bánh pudding nằm ở việc ăn” - để đánh giá chất lượng của bánh pudding, bạn cần phải ăn nó - và cuối cùng, đã đến lúc đưa ra danh sách được đề cập.

Vật lý vĩ mô

1. Tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát.
2. Tính siêu dẫn nhiệt độ cao.
3. Các chất mới (vấn đề tạo ra hydro kim loại và các chất “bất thường” khác).
4. Chất lỏng ngoại tử kim loại (lỗ điện tử) trong chất bán dẫn. Chuyển tiếp kim loại-điện môi. Kính quay.
5. Chuyển pha của bậc hai và gần với chúng (hiện tượng quan trọng).
6. Vật lý bề mặt.
7. Hành vi của vật chất trong từ trường siêu mạnh.
8. Nghiên cứu các phân tử rất lớn. Tinh thể lỏng.
9. Razers, grazers và laser các loại mới.
10. Soliton. Những lực hấp dẫn kỳ lạ Hiện tượng phi tuyến.
11. Các nguyên tố siêu nặng (transruans ở xa). Hạt nhân “kỳ lạ”.

Vật lý vi mô

12. Quark và gluon. Sắc động học lượng tử.
13. Lý thuyết thống nhất về tương tác từ yếu và điện tử. W-, Z-boson. Lepton.

Trong bài viết này, cũng như trong cuốn sách mà tôi đã đề cập, bạn có thể tìm thấy khá nhiều tài liệu tham khảo về tất cả các vấn đề được nêu ra.

14. Bữa trưa tuyệt vời. Sự phân rã proton. Khối lượng neutrino. Bữa trưa siêu ngon.
15. Dòng cơ bản. Tương tác một phần ở năng lượng cao và siêu cao.
16. Vi phạm tính bất biến CP. Hiện tượng phi tuyến trong chân không, trong từ trường và điện tử siêu mạnh. Sự chuyển pha trong chân không.

Vật lý thiên văn

17. Xác minh thực nghiệm và giới hạn khả năng áp dụng của lý thuyết chung về năng lượng tương đối.
18. Sóng hấp dẫn.
19. Vấn đề vũ trụ. Kết nối vũ trụ học với vật lý năng lượng cao.
20. Sao neutron và xung. Vật lý của lỗ đen.
21. Chuẩn tinh và hạt nhân thiên hà. Sự hình thành của các thiên hà.
22. Nguồn gốc của tia vũ trụ và tia gamma vũ trụ và bức xạ RENT.
23. Thiên văn học neutrino.
    Việc phân chia tất cả những vấn đề này thành vật lý vĩ mô, vật lý vi mô và thiên văn học là hoàn toàn tùy tiện. Việc chọn 23 chủ đề thay vì 20 hay 30 cũng là tùy tiện. Sự vắng mặt gần như hoàn toàn của các câu hỏi liên quan đến sinh học không phải do đánh giá thấp tầm quan trọng của mối liên hệ giữa vật lý và sinh học (ngược lại, tôi coi lý sinh với sự tôn trọng và quan tâm đặc biệt), mà là do mong muốn bằng cách nào đó hạn chế chủ đề và hơn nữa, do năng lực sinh học của tôi hoàn toàn không đủ. Cuối cùng, điều quan trọng nhất: không thể và không nên chỉ bận tâm đến những vấn đề “chính yếu”. Cái sau bằng cách nào đó được làm nổi bật và thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ các tính năng đã nêu ở trên. Tuy nhiên, cho dù người ta định nghĩa khái niệm “vấn đề then chốt” một cách hợp lý đến đâu, liệu nó có gây hại ngay cả đối với hai nhà vật lý biên soạn các danh sách giống hệt nhau về những vấn đề như vậy không?

Mỗi vấn đề trong số 23 vấn đề được liệt kê đều được dành cho các tài liệu chuyên sâu, thường là các vấn đề đơn

6

về các vấn đề của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch.
Tôi chỉ muốn chứng minh rằng việc hiểu những điều cơ bản không khó chút nào. Điều tương tự cũng áp dụng cho hầu hết các vấn đề được đề cập trong danh sách của chúng tôi. Ví dụ, thật dễ dàng để mô tả sao neutron là gì. Một ngôi sao như vậy giống như một hạt nhân nguyên tử khổng lồ, bao gồm chủ yếu là neutron, nhưng có cùng số proton và electron. Mật độ vật chất trong hạt nhân nguyên tử thông thường là vào cỡ $Q_\rho = 3 \cdot 10^{14} \text{ g/cm}^3 = 3 \cdot 10^{17} \text{ kg/m}^3$.
Nói một cách đại khái, mật độ vật chất trung bình trong các sao neutron có cùng thứ tự (mật độ tại một điểm nhất định của sao phụ thuộc vào khối lượng của sao và khoảng cách đến tâm của nó).
Pozny có thể dễ dàng ước tính ngay rằng một ngôi sao có khối lượng $M_\odot = 2 \cdot 10^{30} \text{ кг}$, sau khi biến thành sao neutron, sẽ có bán kính

$$r_n \sim \left( \frac{3M_\odot}{4\pi Q_\rho} \right)^{1/3} \sim 10^4 \text{ m} = 10 \text{ km}$$

(hệ số bán kính - bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời - $r_\odot = 7 \cdot 10^8 \text{ m}$).

Vào năm 1967-68, cái gọi là pulsar đã được phát hiện - nguồn vũ trụ của các xung phóng xạ lặp lại theo chu kỳ. Hoá ra pulsar là những sao neutron quay nhanh và có từ tính cao (ví dụ, pulsar PSR 0531, nằm trong dấu hiệu của Tinh vân Con Cua - tàn tích của vụ nổ siêu tân tinh năm 1054, tạo ra 30 vòng quay mỗi giây; từ trường trên bề mặt pulsar mạnh gấp hàng nghìn tỷ lần so với từ trường Trái đất).

Tại sao và làm thế nào các ngôi sao bình thường lại biến thành sao neutron?
Cấu trúc của những ngôi sao này ở các độ sâu khác nhau là gì? Tại sao họ quay nhanh? Những câu hỏi này và nhiều câu hỏi tương tự cũng có thể được trả lời một cách chất lượng đáp số. Ví dụ, sự quay nhanh của các sao neutron gắn liền với định luật bảo toàn xung lượng góc - khi quét cơ thể, nó bắt đầu quay nhanh (mọi người đều biết tình huống này được sử dụng như thế nào trong múa ba lê và trượt băng nghệ thuật trên băng).

Tôi muốn độc giả học sinh (và đặc biệt là một người gần như trưởng thành, chẳng hạn như một học sinh 15-17 tuổi học lớp 9, 10) cũng rút ra kết luận. Thứ nhất, không nên nghĩ rằng ngay cả những thành tựu mới nhất về vật lý, vật lý thiên văn và sinh học cũng không thể tiếp cận được với sự hiểu biết của học sinh. Ví dụ, trong hầu hết các trường hợp, có thể có được ý tưởng định tính về ngày xảy ra vụ án và bản chất của những khám phá mà không cần tốn nhiều công sức. Thứ hai, đối với một người yêu thích khoa học, tìm hiểu những hiện tượng, tác dụng mới, làm quen với tin tức khoa học, cảm nhận được nhịp đập của suy nghĩ ban đầu là sự thỏa mãn và niềm vui vô cùng. Tôi nghĩ rằng những cảm giác này khá tương đồng và có thể so sánh được với những cảm giác mà mọi người trải qua khi “bắt gặp” các tác phẩm nghệ thuật. Thứ ba, bạn cần phải giữ một vị trí tích cực. Đáng tiếc là cả trong nhà trường và viện nghiên cứu đều chưa nhận thức và không phải lúc nào cũng quan tâm đến việc làm cho học sinh biết đến tin tức khoa học và những thành tựu của khoa học hiện đại. Việc tiếp thu này sẽ không xảy ra khi chơi ghi-ta hoặc thậm chí trong quá trình chơi một trò chơi như cờ vua. (Tôi xin độc giả đừng coi nhận xét này là lời khuyên không nên chơi nhạc cụ hay cờ vua. Tôi chỉ muốn nhấn mạnh rằng điều này không nên gây trở ngại cho những người tham gia vào khoa học.) Bạn cần phải tự mình tìm kiếm đáp số, đọc sách và tạp chí khoa học phổ thông. Có lẽ danh sách các vấn đề chính của vật lý và vật lý thiên văn, với tất cả tính quy ước và hạn chế của nó, cũng sẽ giúp hiểu được điều gì có thể thú vị để tìm hiểu.