В статье рассказано об одном из важнейших
направлений современной ядерной физики –
получении и исследовании свойств экзотических
ядер. Представлены методы получения таких ядер с
помощью ускорителей и рассмотрены необычные
свойства новых синтезированных искусственно
легчайших и сверхтяжелых ядер.
В статье рассмотрены история открытия, объяснение и
основные свойства излучения Черенкова. Обсуждены современные применения
детекторов черенковского излучения в экспериментах на ускорителях и с
космическими лучами.
Обсуждается ряд фундаментальных свойств плазменного
состояния вещества и вводится понятие плазмы как среды с коллективной
динамикой. Особое внимание уделено приложениям физики плазмы к проблеме
управляемого термоядерного синтеза. Дается краткий обзор тенденций развития
современной физики плазмы.
Управляемый термоядерный синтез, стратегическая оборонная инициатива -
эти грандиозные научно-технические проблемы 70 - 90-х годов инициировали
развитие исследований сильноточных пучков заряженных частиц. В статье
рассказано об успехах в изучении сильноточных пучков в вакууме и газе.
В статье рассказано о принципе действия
изотопных геохронометров. Они служат для
измерения геологического возраста минералов –
огромных интервалов времени в миллионы и
миллиарды лет. Иногда природа переставляет
стрелки этих геохронометров. Но и в таких случаях
можно определить правильное время.
На основании соображений об однородности и
изотропности пространства-времени рассмотрены
законы Ньютона, а также возможный вид физических
характеристик движкщегося тела, зависящих
только от скорости. Обсуждается невозможность
простых обобщений пространственно-временных
симметрий.
Статья знакомит с теоретико-групповой точкой
зрения на симметрии и преобразования. С помощью
симметрий многочленов вводится понятие четности
перестановки, используемое для объяснения одной
известной игры, кмножение симметрий совсем не
похоже на привычные числовые операции. Возникает
исчисление, которое в следующей
статье приведет к общим понятиям теории групп.
Еще недавно считалось, что первичное
протопланетное газо–пылевое облако было
химически и изотопно однородным. Как оказалось,
первичное вещество Земли было очень
изотопно–гетерогенным. В метеоритах обнаружены
минеральные частицы с резкими изотопными
аномалиями многих химических элементов. Такие
частицы образовались в результате ядерных
процессов в звездах.
Демонстрируются открытые недавно простые
правила изменения формы потенциалов для сдвига
избранного уровня энергии или для
пространственного перемещения связанного
состояния квантовой системы. Рассказано о том,
как можно порождать новые связанные состояния
или уничтожать имеющиеся. проводится аналогия с
алгоритмами изменения свойцств состояний
рассеяния и времен жизни распадных состояний.
Излагаются сущность ядерного магнитного
резонанса, основанного на эффекте Зеемана,
условия детектирования сигналов, особенности
явления для различных ядер. Обсуждаются
источники информации о пространственном и
электронном строении многоэлектронных
(молекулярных) систем.
Представлен аксиоматический подход к понятию
группы - одному из важнейших в математике.
Приводимые определения сопровождаются простыми
примерами и упражнениями, полезными для
факультативных занятий в школе. Чтобы сделать
материал не выходящим за рамки школьной
программы, для теоремы Коши найдено элементарное
доказательство.
Статья посвящена физике подкритического
реактора, работающего как усилитель энергии
ускоренных протонов или более тяжелых ядер. Этот
вариант в настоящее время рассматривается как
основа безопасной ядерной энергетики.
Фундаментальные исследования элементарных
процессов с участием релятивистских ядер очень
важны для оптимального выбора ускоренного пучка.
Излагаются физические основы одного из главных
направлений исследований по проблеме
управляемого термоядерного синтеза – лазерного
термоядерного синтеза (ЛТС). Приводятся основные
схемы ЛТС, обсуждаетсясовременное состояние
исследований.
Рассматриваются термоядерные реакции,
являющиеся источником энергии Солнца. Приведены
сведения о прямом экспериментальном
доказательстве термоядерного происхождения
солнечной энергии, полученном путем регистрации
на Земле потока нейтрино от Солнца. Указано, что
обнаруженный при этом дефицит в потоке солнечных
нейтрино, возможно, свидетельствует о
превращениях, которые испытывают сами нейтрино.
Представлено новое объяснение аномалии
изотопного состава ксенона Земли. Избыток 129Xe
возникает при бета–минус распаде 129I –
продукта деления 235U в земной коре. Избыток
изотопов 132Xe, 131Xe, 129Xe, 134Xe
также вызван миграцией, разделением и
последующим распадом их радиоактивных
предшественников – продуктов деления 235U.
Около 20 лет назад Мизра и Сударшан показали, что
нестабильная частица в условиях непрерывного
наблюдения за ней никогда не может распасться.
Этот странный результат, названный квантовым
эффектом Зенона, рассмотрен в данной статье. В
рамках простой модели выяснены причины
возникновения этого эффекта и проанализирован
его физический смысл.
Лексин Г.А. Фемтоскопия
// СОЖ, 1997, No 11, с. 70–76.
(pdf)
Изложены современные методы измерения размеров
и формы объектов порядка одного фемтометра,
лежащие в основе новой методики – фемтоскопии.
Метод основан на изучении корреляции частиц,
вылетающих из области взаимодействия и имеющих
малые относительные скорости (или – для
тождественных частиц – импульсы).
Статья посвящена открытым 25 лет назад
гамма-всплескам, природа которых остается
непонятой до сих пор. Количество
зарегистрированных всплесков превышает 2000,
однако их не удается отождествить с
астрономическими объектами во всем диапазоне
электромагнитного спектра. В статье излагаются
экспериментальные методы изучения
гамма-всплесков и приводятся современные
гипотезы их происхождения.
Опираясь на современные представления об
эволюции обычных и релятивистских звезд в
двойных системах можно осуществить
популяционный синтез Вселенной. В такой
искусственно созданной метагалактике наряду с
хорошо изученными астрофизическими процессами и
объектами присутствуют пока не открытые, но
крайне важные для всего естествознания явления.
Существует ли отдельный мир сверхплотной
ядерной материи? Описываются теоретические
представления, синтез сверхплотных ядер на
ускорителях и перспективы их использования.
Рассмотрены основные явления, позволяющие
получать сильноточные релятивистские
электронные пучки. Описаны явления
автоэлектронной и взрывной электронной эмиссии.
Показан самосогласованный характер
сильноточной электронной эмиссии и переноса
тока заряженными частицами через вакуумный
межэлектродный промежуток. Проанализированы
основные системы, используемые для формирования
пучков.
Излагаются основы эффекта Мёссбауэра (ядерного
гамма–резонанса) и возможности его применения к
исследованию электронной структуры твердых тел.
Представлена простейшая схема измерения
мёссбауэровских спектров и даны определения
основных его параметров: коэффициента
Мёссбауэра, изомерного сдвига, квадрупольного и
магнитного расщеплений.
Статья посвящена интереснейшему явлению -
осцилляциям нейтрино в веществе, которое, затрагивая самые глубинные
проблемы физики элементарных частиц, проявляется в свойствах нейтринного
излучения небесных тел. Явление может быть использовано для исследования
внутреннего строения небесных тел.
Представлены некоторые проблемы эволюции
Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с
точки зрения физики ядра и элементарных частиц.
Проводится сравнение процессов, происходящих во
Вселенной, с механизмами образования и распада
ядер, а также их взаимодействия при высоких
энергиях. Даны примеры, показывающие возможности
методов ядерной физики в исследовании Вселенной.
Рассмотрены физические принципы нового
ядерного метода изучения вещества с помощью
положительных мюонов (мюонный метод). В настоящее
время мюонный метод для физики и химии
конденсированных и газообразных фаз имеет такое
же значение, как метод ядерного магнитного
резонанса или мeссбауэровская
гамма–спектроскопия.
Стабильные атомные ядра имеют достаточно
определенное число протонов и нейтронов. В
статье рассмотрены происхождение этой
закономерности, квантовая природа ядерных сил.
Обсуждаются модель жидкой капли, описывающая
массы ядер, а также современные методы
исследования ядер, далеких от полосы
стабильности.
Радиационная акустика - научное направление, развивающееся на стыке
акустики, ядерной физики, физики высоких энергий и элементарных частиц. Ее
основу составляют исследования и применения радиационно-акустических
эффектов, возникающих при действии проникающего излучения - пучков частиц
(протонов, электронов, фотонов и др.) и отдельных частиц на вещество.
Приводятся сведения о терморадиационной генерации звука в конденсированной
среде и о применениях этого эффекта.
Рассмотрены процесс деления атомных ядер,
структура барьера деления и влияние квантовых
эффектов на его форму. Подробно обсуждены роль,
которую играет деление в стабильности
сверхтяжелых элементов и современные достижения
в изучении острова стабильности сверхтяжелых
ядер, предсказанного теорией.
Представлен качественный анализ состояния
исследований по проблеме управляемого
термоядерного синтеза. Основное внимание
уделено инерциальному термоядерному синтезу
легких ядер в плотной короткоживущей
термоядерной плазме, современным требованиям к
лазерным и ионным драйверам, особенностям
взаимодействия мощных импульсных потоков
ионизирующих излучений с конденсированным
веществом и плазмой.
Рассказано о роли квазиклассического
приближения в истории становления и развития
квантовой механики и о некоторых идеях, лежащих в
основе квазиклассического метода.
Ускорительная масс–спектрометрия за менее чем
четверть века прошла путь от идеи до мощного
инструмента научных исследований. Приведен
обзор методов измерения ультранизких
концентраций изотопов и рассмотрены успехи
применения ускорителей ионов к измерению
природного содержания космогенных нуклидов.
Рассказано об одном из интереснейших явлений
ядерной физики – радиоактивности, столетие со
дня открытия которой отмечено в 1996 году физиками
всего мира. Даны краткая история обнаружения
различных видов радиоактивности и их
современное понимание. Особое внимание уделено
новейшим достижениям в физике альфа–распада и
недавно открытых протонной и кластерной
радиоактивности.
Более полувека прошло с момента первого
ядерного взрыва... В настоящее время существуют
самые разные точки зрения на роль и перспективы
взрывной ядерной энергии в современном мире. В
статье рассмотрены основные вопросы мирного
использования ядерных взрывов, которым за
истекший период уделялось большое внимание в
ведущих ядерных державах: ядерные взрывы для
промышленности, научных исследований и
энергетики.
Рассмотрена релятивистская кинематика
упругого рассеяния и динамика кулоновского
взаимодействия. Полученные результаты
использованы для вывода формулы Резерфорда и
соотношения для плотности ионизационных потерь
энергии заряженных частиц в приближении малых
углов. Обсуждена зависимость ионизационных
потерь энергии от энергии частицы.
Даны общие представления об устойчивости ядер
по отношению к радиоактивному распаду. Описаны
некоторые новые типы радиоактивного распада –
протонная и кластерная радиоактивность,
спонтанное деление, активные исследования
которых в последнее время позволяют получить
важную информацию о свойствах ядерной материи.
Рассмотрены физические вопросы, связанные с
условиями протекания реакций ядерного синтеза
из ядер – изотопов водорода. Обсуждается
механизм инициирования такого синтеза с помощью
мюонов. Физические достижения в исследовании
мю–катализа позволяют надеяться, что в
перспективе на его основе возможно решение
проблемы энергетического кризиса.
Рассматриваются движение релятивистских
заряженных частиц в магнитном и электрическом
полях и их отклонение и фокусировка при помощи
изогнутых кристаллов.
Сарычева Л.И. Структура материи
// СОЖ, 2000, No 2, с. 113–120.
(pdf)
Кратко описаны основные действующие ускорители
высоких энергий, на которых были выполнены
эксперименты по изучению структуры элементарных
частиц. Приведены данные о структуре протонов,
полученные в экспериментах по рассеянию на них
электронов, а также основные характеристики
фундаментальных частиц и четырех типов
взаимодействий.
Рассмотрено новое интересное явление –
спонтанный распад атомных ядер с выходом тяжелых
частиц 14C, 24Ne, 28Mg, 32Si.
Кратко освещены особенности этого вида ядерного
распада.
Рассмотрены современные
квантово–механические представления о
кластерных свойствах атомных ядер.
Продемонстрированы уникальные возможности
оболочечной модели ядра для расчета эффективных
чисел кластеров как многонуклонной, так и
многокварковой природы, а также их
пространственных и энергетических
распределений в ядрах. Указанные числа
использованы как единая мера для классификации
ядерных распадов и реакций с участием составных
частиц в широкой энергетической области.
Описаны основные свойства идеального газа
кварков и глюонов - кварк-глюонной плазмы.
Рассматривается возможность экспериментального
наблюдения различных сигналов о фазовом
переходе адронный газ - кварк-глюонная плазма в
столкновениях тяжелых релятивистских ионов.
Осцилляции нейтрино являют собой один из
немногих примеров макроскопического проявления
волнового характера распространения нейтрино в
микромирею Задача статьи - показать, что этот
квантово-механический феномен имеет простой
аналог в классической механике. Биения амплитуд
связанных гармонических осцилляторов в точности
воспроизводят все черты нейтринных осцилляций,
включая резонансный переход в веществе.
Синхротронное излучение является одним из
интереснейших физических явлений. Хотя основные
его свойства могут быть поняты в рамках
классических представлений, но некоторые его
особенности демонстрируют нам на
макроскопическом уровне квантовую реальность.
Рассказано о том, как возникло понятие
"цвета" кварков и цветового заряда, почему
сохраняющиеся величины – цветовые заряды должны
быть источниками полей, осуществляющих
взаимодействие между кварками. Указаны свойства
цветовых зарядов, которые могут объяснить
"пленение" кварков и отсутствие их в
свободном состоянии.
Большие собственные скорости пульсаров представляют собой
одну из нерешенных проблем астрофизики. В статье рассматривается
один из сценариев, по–видимому наиболее привлекательный с
физической точки зрения, когда пульсар, нейтронная звезда,
рождающаяся при взрыве сверхновой, получает в этот момент
гигантский толчок за счет асимметричного вылета нейтрино.
Возможно, это является крупномасштабной демонстрацией
несохранения четности в слабых взаимодействиях элементарных
частиц.
Рассмотрено современное состояние одной из
фундаментальных и достаточно сложных проблем
науки – происхождение химических элементов.
Обсуждены астрофизические процессы синтеза
атомных ядер, обнаруживаемых в природе, отмечены
некоторые неопределенности и трудности в
решении этой проблемы.
Представлен обзор оптических методов в
исследованиях атомных ядер. Рассмотрены основы
этих методов, описаны экспериментальные
установки, включая использующие лазеры со
сканируемой длиной волны. Обсуждены наиболее
интересные результаты, полученные оптическими
методами.
Рассмотрены электромагнитные свойства
массивных дираковского и майорановского
нейтрино. Обсуждены магнитный момент, дипольный
электрический момент и анапольный момент
нейтрино. Рассмотрены также некоторые
физические явления, в которых проявляются
электромагнитные свойства нейтрино.
Рассмотрены природные и техногенные источники
ионизирующего излучения в окружающей среде.
Обсуждено влияние малых доз ионизирующего
излучения на здоровье человека.
Приведен краткий популярный обзор одного из
крупнейших достижений физики высоких энергий
последних трех десятилетий - создание
современной картины строения частиц на основе
кварковой модели.
На основе простейших моделей физического
вакуума рассматривается процесс рождения пар
частица-античастица в сильных электромагнитных
полях. Описаны некоторые планируемые
эксперименты, напрвленные на обнаружение этого
эффекта. Обсуждаются также последние работы,
посвященные кинетическому описанию процесса
вакуумного рождения частиц в сильных
нестанционарных полях.
Представлено одно из новых направлений ядерной
физики – физика тяжелых ионов, занимающаяся
исследованием ядерных реакций, переходом одних
ядер в другие, синтезом новых ядер. Показаны
возможности современных ускорителей для синтеза
ядер с использованием ядерных реакций с тяжелыми
ионами. Даны классификация ядерных реакций с
тяжелыми ионами и их анализ с точки зрения новых
изотопов у границ ядерной стабильности.
Поиск источников энергии звезд занял более ста
лет и привлек внимание многих выдающихся
физиков. Х. Бете разработал теорию звездных
термоядерных циклов, согласующуюся с данными
наблюдений. Эксперименты с солнечными нейтрино
доказали, что необходимую энергию звезды
получают в результате термоядерных реакций
синтеза, протекающих в их центральных зонах.
Методы решения проблемы, важнейшие следствия и
другие нерешенные вопросы вновь заставляют
обращаться к этой теме.
В квантовом вакууме для любого короткого
интервала времени существует вероятность
обнаружить отличную от нуля энергию. Энергия
вакуума может проявить себя в спонтанном
рождении или уничтожении частиц и их античастиц.
Статья посвящена изложению той фундаментальной
роли, которую играет понятие вакуума в квантовой
теории.
На популярном уровне излагается идея
вторичного квантования. В рамках данного подхода
рассмотрены уничтожение и рождение как
бозе-частиц, так и ферми-частиц. При этом
обсуждаются как общий случай, так и классический
предел. Проявления эффектов вторичного
квантования продемонстрированы на примере
вынужденного бриллюэновского рассеяния, указаны
и другие области применения данного метода.
Обсуждены методы и проблемы релятивистской
кинетической теории, которая используется для
описания эволюции неравновесных систем,
находящихся в экстремальных условиях. В качестве
примеров рассмотрены ее приложения к ядерной
физике промежуточных и высоких энергий.
Обсуждены первые эксперименты по осуществлению
термоядерной реакции синтеза в дейтериевых
кластерах, индуцированные сверхмощными
ультракороткими лазерными импульсами.
Описаны способы формирования интенсивных
винтовых электронных пучков для источников
мощного когерентного излучения - мазеров на
циклотронном резонансе и лазеров на свободных
электронах. Изложены основные физические
явления, определяющие качество электронных
потоков, формируемых адиабатическими и
неадиабатическими электрическим и магнитным
полями.
Почему возникла теория струн? Выход за рамки
Стандартной модели. Суперсимметрия. Можно ли
экстраполировать до длины Планка? От частиц к
струнам. Взаимодействия струн. Теория струн и
гравитация. Единая теория. Дуальности в теории
струн. Пространство-время обречено! Надежды,
связываемые с теорией струн.
Естествознание сейчас находится в начале
нового, необычайно интересного этапа своего
развития. Он замечателен прежде всего тем, что
наука о микромире — физика элементарных
частиц — и наука о Вселенной —
космология — становятся единой наукой о
фундаментальных свойствах окружающего нас мира.
Различными методами они отвечают на одни и те же
вопросы: какой материей наполнена Вселенная
сегодня? Какова была её эволюция в прошлом? Какие
процессы, происходившие между элементарными
частицами в ранней Вселенной, привели в конечном
итоге к её современному состоянию?
В этой обзорной статье мы остановимся на
некоторых интересных свойствах классических
черных дыр. Если дополнить общую теорию
относительности квантово-механическими
представлениями, черные дыры перестают быть
абсолютно черными. На самом деле, они испускают
тепловое излучение. Существование этого
теплового излучения приводит к ряду парадоксов.
Если же использовать дополнительно еще и теорию
струн в качестве квантовой теории гравитации,
часть парадоксов разрешается. Это приводит к
некоторым интересным изменениям в нашем
концептуальном понимании пространства-времени.
"Сначала я вам расскажу, ну, как бы идеи,
которые есть в современной физике, которая
изучает то, что происходит внутри атомных ядер и
даже еще глубже — внутри частичек, а потом,
в самом конце, я покажу несколько слайдов про
тот эксперимент, которого физики ждут уже многие
годы. Этот эксперимент уже начали собирать
по кусочкам, по деталькам уже 10 лет назад,
и в следующем году его запустят. Сейчас уже
приготавливаются элементы самой большой
экспериментальной установки в мире — это
Большой адронный коллайдер в Швейцарии.
И вот этот эксперимент, который в следующем
году запустится, даст ответ на многие вопросы
и, фактически, подтолкнет физику к развитию
дальше. Поэтому несколько слайдов, технических,
экспериментальных покажу и, вот, про этот
эксперимент."
Прошло без малого сто лет с того момента, как
были открыты космические лучи — потоки
заряженных частиц, приходящих из глубин
Вселенной. С тех пор сделано много открытий,
связанных с космическими излучениями, но и
загадок остаётся ещё немало. Одна из них,
возможно, наиболее интригующая: откуда берутся
частицы с энергией более 1020 эВ, то есть
почти миллиард триллионов электронвольт,
в миллион раз большей, чем будет получена в
мощнейшем ускорителе — Большом адронном
коллайдере? Какие силы и поля разгоняют частицы
до таких чудовищных энергий?
На наших глазах разворачивается грандиозная
экспериментальная работа по изучению
происхождения космических лучей «предельной»
энергии — проблемы, фундаментально важной для
понимания рождения Вселенной. В ближайшие
годы следует ожидать открытий в этой области
астрофизики и интересных теоретических
обобщений, стимулируемых новыми
экспериментальными данными.