Проблемы атомной физики

11 величайших нерешенных проблем современной физики

Проблемы атомной физики
В 1900 году британский физик лорд Кельвин объявил: «в физике больше нет ничего нового, все, что можно было открыть, уже открыто. То, что остается — это все более и более точное измерение старого».

В течение трех десятилетий физика показала, что он серьезно ошибался: были открыты квантовая механика и теория относительности Эйнштейна, которые произвели революции в науке. Сегодня ни один физик не посмел бы утверждать, что мы знаем все о вселенной.

Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры с еще более глубокими вопросами физики. В этой статье мы поговорим про те вопросы в физике, которые до сих пор остаются без ответа.

Темная материя и энергия

Как бы ученые не пытались объяснить нашу вселенную текущими законами физики, у них ничего не получается. Если учитывать только видимое вещество, то его гравитации не хватит, чтобы удерживать галактики от распада на части. И, дабы объяснить стабильность галактик во вселенной, была введена темная материя — гипотетическое вещество, которое не испускает электромагнитного излучения и взаимодействует с привычной материей только с помощью гравитации. Увы, хотя термину «темная материя» уже 90 лет, ее до сих пор не обнаружили, хотя и нашли потенциального претендента, возможно, полностью состоящего из нее. Как это обычно бывает, темной материи не хватило, чтобы объяснить все несостыковки текущей физики и наблюдаемых явлений. Поэтому, чтобы объяснить расширение Вселенной с ускорением, была введена еще и темная энергия, являющейся космологической константой — иными словами, неизменной энергетической плотностью, равномерно распределенной по Вселенной. Причем, что самое любопытное, привычное нам вещество занимает по массе всего 4% Вселенной, когда темная материя — 22%, а темная энергия вообще 74%. Казалось бы, при таком распространении мы должны найти ее следы, но, увы, пока что этого не произошло.

Почему время идет только вперед?

Пожалуй, этот вопрос задавали себе многие — ведь так хотелось бы вернуться в прошлое и что-то исправить. Физики пытались объяснить эту «стрелу времени», направленную только вперед, энтропией: грубо говоря, мерой хаоса во вселенной. Все, что мы не делали, приводит к увеличению энтропии: это гласит второй закон термодинамики. Яйцо, будучи целым, имеет низкую энтропию. Разбив его на сковородку, вы ее увеличите. Но, казалось бы, в чем проблема собрать обратно желток и белок в скорлупу и склеить ее? Ведь тем самым можно будет уменьшить энтропию и как бы сделать для яйца «машину времени». Увы, это не так — в итоге на «сборку» яйца снова вы потратите некоторое количество энергии, а, значит, снова увеличите общую энтропию Вселенной. Казалось бы, вот и ответ на вопрос: раз энтропия и время связаны, и энтропия может только увеличиваться, то время может идти только вперед. Но и тут хватает загвоздок: так, в будущем Вселенная достигнет равновесия и максимума энтропии — она будет полностью однородной и темной, без всяких звезд и галактик. Энтропия в ней навечно станет константой — значит, и время тоже? Ведь в таком мире без разницы, куда оно течет, в итоге все равно ничего не меняется!  С другой стороны, вспомним начало Вселенной из Большого Взрыва, когда энтропия была минимальной, и с тех пор постоянно растет. Возникает вопрос — почему это происходит именно так, а не наоборот? Увы — мы не знаем ответа на этот вопрос. Так что связь времени и энтропии, конечно, интересная, но все равно не отвечает нам на вопрос, почему время идет вперед и только вперед.

Есть ли параллельные вселенные?

Астрофизики предполагают, что на больших масштабах пространство-время плоское, а не искривленное, то есть оно бесконечно. Однако та область, которую мы видим и называем Вселенной, вполне себе конечна и простирается «всего» на 41 млрд световых лет. А, значит, все частицы нашей Вселенной могут комбинироваться хоть и крайне большим (1010122 степени), но все же конечным числом. А раз пространство-время бесконечно, то на нем будет бесконечной множество различных вселенных, и раз наша Вселенная конечна, то она будет иметь… бесконечное число своих копий. И бесконечное число копий, где вы позавтракали не йогуртом, а бутербродом с сыром. Но, конечно, это чисто математические выкладки, которые мы никак не можем проверить, так что этот вопрос так и остается вопросом.

Почему материи больше, чем антиматерии?

След первого обнаруженного позитрона в пузырьковой камере. В привычном нам мире электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно. А может ли быть наоборот? Вполне: последние 50 лет ученые создают антипротоны и позитроны (антиэлектроны), которые отличаются от своих «нормальных» братьев только зарядом и барионным числом (то есть позитрон заряжен положительно). При столкновении частицы с античастицей они аннигилируют, производят огромное количество энергии. Но отсюда возникает вполне логичный вопрос: если материя и антиматерия максимально схожи, то после Большого Взрыва их должно было оказаться поровну. Разумеется, они бы аннигилировали полностью, и вселенная была бы пуста (ну, почти пуста — остались бы одни фотоны). А раз мы существуем, значит, материи в итоге было образовано больше, чем антиматерии. Почему? Никто не знает.

Как измерения разрушают квантовые волновые функции?

Микромир работает совсем не так, как привычная нам реальность. Частицы ведут себя не как шарики, а как волны. Каждая из частиц описывается так называемой волновой функцией — распределением вероятностей, которые говорят нам лишь о том, какими могут быть ее местоположение, скорость и другие свойства. Фактически, частица имеет диапазон значений для каждого из свойств — но только до того момента, пока вы это свойство не станете измерять. Например, если вы захотите узнать местоположение частицы, то волновая функция коллапсирует, и вместо набора различных мест вы получите только одно, которое и образует привычную нам реальность. Этот парадокс, названный проблемой измерения, так и остается без решения.

Что происходит внутри черной дыры?

Куда исчезает информация внутри черной дыры? Если вы бросите в нее зонд, то вы не получите от него никаких данных, так как скорость убегания от черной дыры больше скорости света. Но черные дыры не вечны — существует излучение Хокинга, благодаря которому они медленно испаряются, и в итоге полностью исчезают. При этом само излучение зависит лишь от характеристик черной дыры (ее массы, скорости вращения и так далее), то есть, получается, данные о нашем зонде полностью теряются — без разницы, что вы кинете в черную дыру, зонд или камень с той же массой, на выходе излучение будет абсолютно одинаковое. Но тут мы приходим к противоречию с квантовой физикой: она гласит, что квантовая информация не теряется и не копируется, и, если знать полную информацию о начальном состоянии любого объекта (например, зонда), то можно рассчитать и любое последующее. А «пережеванное» черной дырой вещество, получается, теряет всю свою информацию — парадокс, решение которого играет ключевую роль для построения законов квантовой гравитации, и пока что эта проблема остается без решения.

Что такое гравитация? 

Почти все силы во вселенной определены различными частицами. Так, за электромагнетизм отвечают фотоны, за слабую ядерную силу — W- и Z-бозоны, за сильную ядерную силу — глюоны. Остается гравитация, и с ней есть одна проблема: гипотетическая частица, переносчик гравитации — гравитон — так и не была обнаружена. Теоретически, она не имеет массы и почти не взаимодействует с веществом, но на практике мы лишь получили ограничение сверху на ее массу благодаря гравитационным волнам от столкновения черных дыр, и это не ноль, хотя и очень близкая к нему цифра. Пока мы не нашли гравитон, мы не можем работать с гравитацией так, как с другими фундаментальными взаимодействиями, которые по сути являются обменом частиц. Более того, некоторые физики даже предполагают, что гравитоны работают в дополнительных измерениях за пределами пространства-времени. В любом случае, ответа на вопрос у нас пока нет.

Мы живем в ложном вакууме?

Что мы подразумеваем под вакуумом? Отсутствие чего-либо в данной точке пространства. Ну хорошо, мы можем освободить от частиц небольшой объем (хотя сделать это в случае с нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом, будет, мягко говоря, трудновато). Остаются еще различные излучения и поля — ладно, попробуем избавиться и от них. А вот это уже не получится — есть и темная энергия, и поле Хиггса, и различные квантовые флуктуации. То есть, получается, вакуум, который мы можем создать, все-таки имеет какую-то отличную от нуля энергию, поэтому он и называется ложным. Отсюда возникает вполне логичный вопрос — раз наш вакуум ложный, то может где-то есть истинный, с нулевой энергией? Или хотя ты чуть менее ложный, где энергия вакуума чуть ниже? Вполне может быть, и отсюда приходит «белый пушной зверек». Частицы имеют одно интересное свойство — возможность туннелировать сквозь вещество, не обращая на него внимание, в значение с другой энергией. Что произойдет, когда хотя бы одна частица переместится в значение с меньшей энергией вакуума, чем в окружающей нас вселенной? Правильно, она потянет за собой все другие, и, в конечном счете, всю вселенную. Чем это грозит нам? Да тем, что мы просто перестанем существовать: ведь все, что мы видим, и все, из чего мы состоим, подчиняется определенным законам физики с определенными константами. «Перескок» в область, где энергия ложного вакуума ниже, чем у нас, изменит и законы, и константы. Да, вселенная от этого существовать не перестанет, она просто изменится. Но вот не факт, что мы останемся жить. Конечно, все написанное выше выглядит страшилкой на ночь — да, собственно, ей и является. По расчетам Хокинга, дабы хотя бы одна частица туннелировала в состояние с другим ложным вакуумом, требуется энергия порядка 100 миллионов ТэВ — это в 10 миллионов раз больше, чем может дать Большой Адронный Коллайдер. Такие значения энергий не встречаются даже в сверхмассивных звездах, так что можете быть спокойны — с крайне высокой вероятностью наша вселенная никуда не денется. Но все же может, если теория ложного вакуума верна.

Что лежит за пределами Стандартной модели?


Стандартная модель — одна из самых успешных физических теорий, которая проходит все проверки на протяжении вот уже больше 40 лет. Эта модель описывает поведение частиц вокруг нас и, например, объясняет, почему они имеют массу. К слову, открытие бозона Хиггса — частицы, которая дает материи массу — как раз является одним из тех экспериментов, в очередной раз подтвердивших Стандартную модель.

Но уже понятно, что вселенная устроена сложнее — взять, например, потерю квантовой информации в черной дыре.

Поэтому становится очевидным, что нужно придумывать новые модели: например, существует Теория струн, которая говорит о том, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний ультрамикроскопических струн с масштабами порядка 10-35 метра.

Это на пару десятков порядков меньше диаметра атомного ядра, и у нас нет абсолютно никаких инструментов для работы на таких масштабах, поэтому мы не можем проверить Теорию струн. Так что ответ на вопрос, что же лежит за пределами Стандартной модели, остается открытым.

Как звуковые волны излучают свет?

Синяя точка — не лазер и не ошибка камеры, это вспышка в пузырьке внутри воды.
Один из тех редких примеров загадок, которые можно наблюдать в лаборатории, но не получается объяснить. Сам эксперимент максимально прост: возьмите немного воды и направьте на нее звуковые волны — внутри нее образуются пузырьки, которые образуются из-за перепада давления от звуковых волн. Разумеется, эти пузырьки быстро схлопываются, однако в этот момент… они излучают свет в виде вспышек, длящихся триллионные доли секунды — явление, называемое сонолюминесценция. Проблема тут в том, что неизвестен источник этого света. Ученые обнаружили, что внутри пузырьков на долю секунды температура достигает десятков тысяч градусов, откуда строятся абсолютно фантастические теории, начиная от крошечных реакций ядерного синтеза вплоть до электрического разряда. И хотя существует множество снимков этого процесса, до сих пор нет хорошего объяснения происходящего.

Есть ли порядок в водовороте хаоса?


Школьный пример — зная состояние воды в левой трубке, его можно вычислить для правой.
Отличным примером того, что даже в школьном курсе физики есть задачи тысячелетия, за решения которых предлагают миллион долларов, являются уравнения Навье-Стокса. По сути это система дифференциальных уравнений, которая описывает движение вязкой ньютоновской жидкости. Проблема в том, что нахождение общего решения в случае пространственного потока усложняется тем, что оно нелинейно и сильно зависит от начальных и граничных условий. И хотя в частных случаях решения есть (думаю, все в школе решали задачки по нахождению скорости потока воды в трубах разного диаметра), мы даже не знаем, есть ли оно в общем случае — а ведь это важно даже для таких, казалось бы, банальных вещей, как правильный прогноз погоды.

И это далеко не все проблемы, с которыми сталкивается современная физика, и чем больше мы в них углубляемся, тем больше понимаем, что все наши знания, накопленные за столетия и даже тысячелетия, или не верны, или крайне поверхностны. Но это не повод опускать руки — наоборот, это шанс узнать больше об окружающем нас мире и пустить эти знания нам же на благо.

Источник: https://www.iguides.ru/main/other/11_samykh_bolshikh_zagadok_v_sovremennoy_fizike/

10 нерешённых проблем современной физики

Проблемы атомной физики

Ниже мы приведем список нерешенных проблем современной физики.

Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты.

Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов.

Каким будет конец Вселенной?

Разгадка во многом зависит от тёмной энергии, которая остаётся неизвестным членом уравнения.

Тёмная энергия ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной, но ее происхождение — тайна, покрытая мраком. Если тёмная энергия постоянна в течение долгого времени, нас, вероятно, ждёт «большое замораживание»: Вселенная продолжит расширяться всё быстрее, и в конечном счёте галактики настолько удалятся друг от друга, что нынешняя пустота космоса покажется детской забавой.

Если тёмная энергия возрастает, расширение станет настолько быстрым, что увеличится пространство не только между галактиками, но и между звёздами, то есть сами галактики будут разорваны; этот вариант называется «большим разрывом».

Ещё один сценарий состоит в том, что тёмная энергия уменьшится и уже не сможет противодействовать силе тяжести, что заставит Вселенную свернуться («большое сжатие»).

Ну а суть в том, что, как бы ни разворачивались события, мы обречены. До этого ещё, впрочем, миллиарды или даже триллионы лет — достаточно, чтобы разобраться в том, как же всё-таки погибнет Вселенная.

Квантовая гравитация

Несмотря на активные исследования, теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность в её построении заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) — опираются на разные наборы принципов.

Так, квантовая механика формулируется как теория, описывающая временну́ю эволюцию физических систем (например атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени.

В ОТО внешнего пространства-времени нет — оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем.

При переходе к квантовой гравитации, как минимум, нужно заменить системы на квантовые (то есть произвести квантование). Возникающая связь требует какого-то квантования геометрии самого пространства-времени, причём физический смысл такого квантования абсолютно неясен и сколь-либо успешная непротиворечивая попытка его проведения отсутствует.

Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности — квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной.

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, недоступны современным технологиям. В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.

Бозон Хиггса не имеет абсолютно никакого смысла. Почему же он существует?

Бозон Хиггса объясняет, как все остальные частицы приобретают массу, но в то же время поднимает множество новых вопросов. Например, почему бозон Хиггса взаимодействует со всеми частицами по-разному? Так, t-кварк взаимодействует с ним сильнее, чем электрон, из-за чего масса первого намного выше, чем у второго.

Кроме того, бозон Хиггса — первая элементарная частица с нулевым спином.

«Перед нами совершенно новая область физики элементарных частиц, — говорит учёный Ричард Руис — Мы понятия не имеем, какова её природа».

Излучение Хокинга

Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга?

Излучением Хокинга называют гипотетический процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. Температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение Хокинга от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

Согласно ОТО, при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 1012 кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время. Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть по сути взрывом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Почему Вселенная сбалансирована таким образом, что жизнь может существовать?

Если бы Вселенную сотворил не Бог, а слепой случай, нас просто не было бы. В этом высказывании есть доля истины. Действительно, галактики, звёзды, планеты, люди возможны только во Вселенной, которая первое время расширялась со строго определённой скоростью.

За расширение отвечает центробежное давление тёмной энергии, которое противостоит направленной внутрь силе тяготения, определяемой массой Вселенной, основную долю коей составляет нечто невидимое, названное тёмной материей.

Если бы соотношение этих сил было иным (если бы толчок тёмной энергии вскоре после рождения Вселенной оказался чуть более сильным) — пространство расширялось бы слишком быстро, и ни галактики, ни звёзды просто не смогли бы образоваться. Если бы тёмная энергия давила чуть слабее, Вселенная вновь свернулась бы.

Так почему же, спрашивает Эрик Рамберг из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, они настолько хорошо уравновешены, что возникла та Вселенная, в которой мы живём?

«Нам неизвестна фундаментальная причина этого баланса, — подчёркивает специалист. — Нет сомнений, что количество тёмной энергии во Вселенной — наиболее точно настроенный показатель во всей физике».

Размерность пространства-времени

Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество?

На сегодняшний день множество ученых физиков-теоретиков по всему миру исследуют вопрос многомерности пространства. В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории.

А что, если и в самом деле мы воспринимаем всего 3 из 11 существующих измерений (M-теория)? В таком случае мы просто обречены на поедание крошек со стола космологии. Однако, всегда есть возможность описать то, что мы не можем воспринять непосредственно, с помощью математики.

Например, четвёртое измерение можно попытаться представить исходя из логики, что три воспринимаемых нами измерения являются относительно четвёртого тем же, что и два измерения плоскости относительно объемного восприятия.

Откуда берутся астрофизические нейтрино?

Теория предсказывает, что чрезвычайно высокоэнергетические нейтрино порождаются столкновениями быстрых заряженных частиц (космических лучей) с частицами света (фотонами) в космическом микроволновом фоновом излучении, которым пронизана вся Вселенная.

Но что приводит этот процесс в движение и как космические лучи ускоряются — неизвестно. Ведущая гипотеза, у которой нет никаких доказательств, состоит в том, что начало космическим лучам даёт вещество, попадающее в голодные сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик.

Возможно, получившиеся в результате нейтрино летят настолько быстро, что у каждой крошки столько же энергии, сколько в бейсбольном мяче, хотя в последнем миллиарды миллиардов атомов. «

Мы ничего не знаем об их природе, — говорит Абигейл Вирегг из Института космологической физики им. Кавли Чикагского университета — Вот когда узнаем, тогда и наведём справки об источниках, которые разгоняют эти частицы до чрезвычайно высоких энергий».

Мультивселенная

Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы?

Различные гипотезы о существовании мультивселенной высказывались специалистами по космологии и астрономии, физиками, философами, фантастами.

Термин «мультивселенная» был создан в 1895 году философом и психологом Уильямом Джеймсом и популяризирован писателем-фантастом Майклом Муркоком. Часто используются также такие термины, как «альтернативные вселенные», «альтернативные реальности», «параллельные вселенные» или «параллельные миры».

Возможность существования мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы. Данная идея активно используется, например, в теории струн. Предположение о существовании мультивселенной используется также в многомировой интерпретации квантовой механики.

Почему случилось так, что Вселенная состоит из материи, а не антиматерии?

Антиматерия — та же материя: она обладает точно такими же свойствами, как вещество, из которого состоят планеты, звёзды, галактики.

Отличие только одно — заряд. Согласно современным представлениям, в новорождённой Вселенной того и другого было поровну. Вскоре после Большого взрыва материя и антиматерия аннигилировали (прореагировали с взаимным уничтожением и возникновением других частиц друг друга).

Спрашивается, как так вышло, что некоторое количество материи всё-таки осталось? Почему именно материя добилась успеха, а антивещество проиграло «перетягивание каната»?

Чтобы объяснить это неравенство, учёные усердно ищут примеры нарушения CP-инвариантности, то есть процессов, при которых частицы предпочитают распадаться с образованием материи, но не антиматерии.

«Прежде всего хотелось бы понять, различаются ли нейтринные осцилляции (превращение нейтрино в антинейтрино) между нейтрино и антинейтрино, — говорит поделившаяся вопросом Алисия Мэрино из Колорадского университета. — Ничего подобного до сих пор не наблюдалось, но мы надеемся на следующее поколение экспериментов».

Теория всего

Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему законы физики таковы, как они есть?

Теория всего — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия.

Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий. Со временем термин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов.

Бонус: Шаровая молния

Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Шаровая молния — светящийся плавающий в воздухе огненный шар, уникально редкое природное явление.

Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено, также существуют научные теории, которые сводят феномен к галлюцинациям.

Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде.

В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым.

По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором это природное явление искусственно воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев шаровой молнии.

Широко распространено мнение, что шаровая молния — явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляет собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.

Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой молнии остаётся под сомнением, в том числе:

  • сам факт наблюдения хоть какого-то явления;
  • факт наблюдения именно шаровой молнии, а не какого-то другого явления;
  • отдельные подробности явления, приводимые в свидетельстве очевидца.

Сомнения в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву для появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с этим явлением.

несколько десятков статей из wikipedia.org, computerra.ru

«,»author»:»Eggheado»,»date_published»:»2014-05-20T18:09:51.498Z»,»lead_image_url»:»https://miro.medium.com/max/1200/1*sHww19JOU5VZ6IsrKBEvzQ.jpeg»,»dek»:null,»next_page_url»:null,»url»:»https://medium.com/eggheado-science/10-5cca9fad18e»,»domain»:»medium.com»,»excerpt»:»Ð¢ÐµÐ¼Ð°: Наука»,»word_count»:1558,»direction»:»ltr»,»total_pages»:1,»rendered_pages»:1}

Источник: https://medium.com/eggheado-science/10-5cca9fad18e

Мирный атом: что это такое и как устроен мощнейший в мире источник энергии

Проблемы атомной физики

История атомной энергетики, как ни странно, началась с огромного количества исследований в других областях. В 1895 году первый в истории лауреат Нобелевской премии по физике Вильгельм Рентген случайно открывает рентгеновское излучение, полученное им на первом ускорителе электронов — катодной трубке.

В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл феномен радиоактивности при изучении фосфоресценции солей урана, а его исследования продолжила знаменитая супружеская пара Пьера и Мари Кюри — только они уже проводили эксперименты с соединениями тория и солями урана. Ими были выделены высокоактивные элементы полоний и радий, а позже они обнаружили, что эти радиоактивные элементы испускают три вида проникающей радиации: α-, β- и γ- лучи.

Считается, что самый большой вклад в фундаментальное изучение атомарной структуры и последующего открытия ядерного синтеза внес британский физик Эрнест Резерфорд.

В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфа-частиц он доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него.

На основе результатов опыта ученый создал первую планетарную модель атома.

Эрнест Резерфорд.  Wiki

Согласно воспоминаниям советского физика Льва Капицы, Эрнест Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, для которой характерно стремление разобраться в сути физического явления и экспериментально проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориям.

Он редко использовал формулы и практически не использовал математические расчеты. Его коллеги и ученики отмечали, что Резерфорд был гениальным экспериментатором.

Например, он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха.

Другой пример — открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением очень редких высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег.

В современном мире ядерная физика делится на два основных направления — военные технологии и так называемая сфера мирного атома, в который входит несколько отделений: изучение возможностей атома, ядерная энергетика и ядерная медицина.

Ядерная энергетика

В любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия — например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях, солнечных электростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, или энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях. Однако к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.

Впервые цепная реакция ядерного распада была осуществлена 2 декабря 1942 года в Чикагском университете. Для ее реализации использовался уран в качестве топлива, а графит в качестве замедлителя.

Но первая электроэнергия, извлеченная из энергии ядерного распада, была получена только спустя почти 10 лет — 20 декабря 1951 года в Национальной лаборатории Айдахо с помощью реактора на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor-I), произведенная мощность которого составляла около 100 кВт.

АЭС в Обнинске. Wiki

Советский Союз старался не отставать в сфере ядерного развити, и 9 мая 1954 года на ядерном реакторе в Обнинске была достигнута первая устойчивая цепная ядерная реакция.

Реактор мощностью 5 МВт работал на обогащенном уране с графитом в качестве замедлителя, для охлаждения использовалась вода с обычным изотопным составом.

26 июня в 17:30 энергия, выработанная здесь, стала поступать в потребительскую электросеть Мосэнерго.

На сегодняшний день ядерная энергия обеспечивает до 15% от производства всей электроэнергии на Земле — до 6,55 млрд МВт·ч (562,9 млн тонн в нефтяном эквиваленте).

В мире функционируют почти 500 АЭС, большинство из которых находятся на территории Северной Америки, Европы, Азии и стран бывшего СССР.

При этом на территории Африки АЭС практически нет, а в Австралии ядерная энергия не используется совсем.

Доля выработки электроэнергии на АЭС в некоторых странах достигает больших значений: так, в 12 странах она превышает 30% от общего количества энергии.

С другой стороны, в некоторых странах ее доля в энергобалансе незначительна — Китай является вторым лидером по мощности АЭС, однако ядерная энергия дает всего порядка 4% электричества страны.

Основным лидером по установленной мощности являются США, однако ядерная энергетика составляет там лишь 20% в общем энергобалансе. Мировым лидером по доле в общей выработке является Франция, в которой ядерная энергетика является национальным приоритетом — 72% от всего электричества в стране.

Самыми масштабными программами по строительству новых АЭС владеют Россия, Индия и Южная Корея, в которых сейчас строится около 35 новых атомных электростанций, что более 50% от всех создаваемых объектов такого типа.

Ядерная энергия используется не только для снабжения жителей с помощью атомных электрических станций, но и для передвижения атомных ледоколов и атомных подводных лодок.

Кроме того, многие страны имеют программы изучения возможностей атомного деления — например, для создания ядерного ракетного двигателя, в том числе для космических кораблей.

СССР даже имел программу спутников, которые имели в себе ядерные двигатели. Подробнее об этом читайте в нашем большом материале.

Проблемы атомной энергии

На сегодняшний день в мире существуют две противоположные тенденции — некоторые страны начинают сворачивать свои ядерные программы. Например, США, Франция и Япония начинают закрывать некоторые АЭС, а Италия стала первой страной в мире, которая сознательно закрыла все АЭС и полностью отказалась от ядерной энергетики.

Бельгия, Германия, Испания, Швейцария и Швеция осуществляют долгосрочную политику по отказу от ядерной энергетики. Австрия, Куба, Ливия, Вьетнам и Польша закрыли свои ядерные программы буквально перед пуском первой АЭС по политическим, экономическим или техническим причинам.

Самым спорным моментом в ядерной энергетике является ее безопасность, особенно связанная с эксплуатацией реакторов.

Противники ядерных систем указывают на техногенные катастрофы в Чернобыле и Фукусиме, из-за которых погибли тысячи человек, а ущерб, нанесенный экономике СССР и Японии, составляет миллиарды долларов.

Кроме того, от атомной энергии, как правило, остаются отходы, которые необходимо утилизировать.

Вместе с тем выступающая за продвижение ядерной энергетики Всемирная ядерная ассоциация опубликовала в 2011 году данные, согласно которым гигаватт в год электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых — в 85, на гидростанциях — в 885, тогда как на атомных — всего в 8.

Саркофаг над Чернобыльской АЭС. Wiki

Другой проблемой ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению специалистов, атомные электростанции «в расчете на единицу производимой электроэнергии» выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС.

Ядерная медицина

Как отрасль медицины эта сфера появилась только в 1970-1980-х, несмотря на то, что еще в 1901 году французские физики Анри-Александр Данло и Эжен Блок впервые применили радий для лечения кожного туберкулеза, а венгр Дьёрдь де Хевеши в 1913 году предложил использовать в биологических исследованиях метод меченых атомов.

Сейчас ядерная медицина применяется в основном при кардиологических и онкологических заболеваниях, а вся сфера в целом потребляет свыше половины всех радиоактивных изотопов в мире.

В частности, в онкологии (радиобиология опухолей — «Хайтек») ядерная медицина выполняет такие задачи, как выявление опухолей, метастазов и рецидивов, определение степени распространенности опухолевого процесса, дифференциальная диагностика, лечение опухолевых образований и оценка эффективности противоопухолевой терапии.

Лидером этого рынка являются США и Япония, при этом Россия является лидером по производству сырьевых медицинских изотопов, однако пока страна не имеет собственной полноценной программы ядерной медицины.

Источник: https://hightech.fm/2020/03/03/nuclear-energy

Проблемы атомной физики

Проблемы атомной физики

Атомная физика – это один из основных разделов физики, который изучает свойства и строение атомов. Данный раздел традиционной физике сформировался в конце XIX столетия в результате проведения множества экспериментов.

Было установлено, что атом – это система, состоящая из положительно заряженного ядра, а также отрицательно заряженных электронов.

Атомная физика получила свое развитие вместе с созданием квантовой механики, что объясняла структуру атома.

Атомная физика: понятие, задачи и основные разделы

Определение 1

Атомная физика – это раздел классической физики, который изучает строение и свойства атомов, электронных конфигураций и ионов, а также элементарных процессов, в которых принимают участие атомы.

Атомная физика использует линейные размеры в пределах 10−8 см и энергиями порядка 1 эВ.

Замечание 1

Ключевой задачей данного раздела физики является определение всех возможных состояний атома.

Основные разделы атомной физики:

  • теория атома;
  • атомная спектроскопия;
  • рентгеноспектральный анализ;
  • физика атомных столкновений;
  • радиоспектроскопия.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Основу современной атомной физики составляет квантово-механическая теория, что описывает все физические явления на атомно-молекулярном уровне.

Атомная физика изучает атом, как систему из ядра и электронов.

Свойства данной системы и всех процессов, что протекают в ней, определяются электромагнитным взаимодействием, в отличие от ядерной физики, где ключевую роль играет сильное и слабое взаимодействие.

Основные проблемы атомной физики

Необходимо начать с проблемы, которая привлекает на сегодняшний день основное внимание физиков, над которой работают все современные исследователи в лабораториях по всему миру. Это проблема атомного ядра, в частности, наиболее актуальная его часть – проблема урана.

Ученым удалось установить, что атом состоит из положительно заряженного ядра, который окружен незначительным количеством электронов. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны компенсируют друг друга, поэтому атом кажется нейтральным.

Начиная с 1930 года, основное внимание физиков было уделено атомному ядру. Именно ядро интересовало из больше всего, поскольку в нем сосредотачивалась основная часть атома.

А масса – это мера запаса энергии, которой обладает данная система.

Колоссальные запасы энергии, которые находятся именно в атомной ядре, невозможно сравнить с формами энергии, что известны человечеству на сегодняшний день.

Кроме этого, атомное ядро интересует физиков и по другой причине. Ядро определяет всю природу атома, его индивидуальность и химические свойства. Если железо отличается от углерода, меди или свинца, то данное различие сосредоточено именно в атомном ядре, но не в электронах.

Электроны у всех одинаковы. Любой атом может потерять часть своих электронов, вплоть до того, что они могут быть сорваны с атома.

Пока атомное ядро цело и неизменно, то оно со своим положительным зарядом может притянуть к себе то количество электронов, которое ему необходимо для восполнения заряда.

Как только атомное ядро изменяется, то из одного химического элемента получается другой. Тогда сможет осуществиться давняя мечта алхимиков – превращение одних химических элементов в другие. На современном этапе развития физики данная мечта осуществилась, однако, не в тех формах и не с теми результатами, которые планировали получить алхимики и физики.

Эта картина выявилась не просто. Физикам пришлось пройти через целый ряд затруднений и противоречий, которые на момент своего определения казались безвыходными. Но данные проблемы атомной физики в общей истории науки оказались только разными сторонами целостной картины, которая представляла собой синтез противоречивых положений.

Важнейшими из проблем и сложностей атомной физики является следующее: в начале текущего столетия было выявлено, что из недр радиоактивных атомов выходят б-частицы (ядра гелия) и в-частицы, которые оказались электронами. Казалось, что атомное ядро состоит из электронов и гелия. Очевидно, что невозможно составить ядро водорода из ядер гелия, которые вчетверо тяжелее.

Рисунок 1. Физика атомного ядра. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Как обнаружились основные проблемы атомной физики?

Большинство ученых-физиков слишком преклоняются перед научными «авторитетами», что мешает им глубже понять суть актуальных проблем атомной физики.

Существует мнение, что нельзя подвергать изменениям физические законы и фундаментальные постоянные.

Однако вся история науки показывает, что подобный подход ведет к застою, а его сторонники редко получают интересные и независимые решения насущных проблем атомной физики.

Стоит выделить несколько исторических фактов, которые помогли обнаружить наиболее актуальные проблемы атомной физики. К ним можно отнести:

  1. В начале ХХ столетия ключевой проблемой было строение атома. Первая попытка разработки и создания модели атома принадлежала английскому физику Дж. Дж. Томсону, который в 1903 году пытался ее сконструировать. В результате вещество равномерно размазано по всему объему атома.
  2. Ученик Дж. Дж. Томсону Резерфорд осуществил бомбардировку атомов альфа-частицами при помощи золотой фольги. Уже в 1910 году он предложил ядерную или планетарную модель атома, в котором между ядром и электронной оболочкой находилась пустота. Спустя некоторое время стало известно, что ядра не имеют выраженной и четкой поверхности. Пространство между ядром и электронной оболочкой заполнено ядерной пылью, которая сгущалась ближе к ядру. Данная ядерная модель Резерфорда считалась неустойчивой, поэтому была сформирована новая квантовая теория атома. Данный ученый возглавлял кавендишевскую лабораторию в Кембридже. Своим ученикам он запрещал научной проблемой применения атомной энергии. Возможно, по этой причине немецкие физики не афишировали создание атомной бомбы. Резерфорд отказался заниматься созданием ядерного оружия.

Перед началом Второй мировой войны была разработана теория деления атомного ядра – распад тяжелых ядер при бомбардировке нейтронами. Данный распад был открыт Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в Германии. В результате открытия цепных реакций деления появляется возможность создания атомного оружия.

В США в 1942 году начинается процесс разработки и создания атомной бомбы под руководством Д. Оппенгеймера, а в 1943 году в СССР запущен процесс ее создания. В 1945 году атомная бомба была сброшена на Хиросиму и Нагасаки.

Работа ученых была воспринята как противоречие морали, поскольку погибли сотни ни в чем невинных людей. После потрясений в Хиросиме Оппенгеймер не смог погасить обостренное чувство вины.

В то время разгораются конфликты между физиками, в которых один из разработчиков атомной бомбы отстаивает создание водородной бомбы.

В 1952 году проводится испытание термоядерного оружия, а в 1955 году в СССР проводится тестирование водородной бомбы.

Физики, которые работали над созданием ядерного оружия, испытывали страх перед продолжением данных испытаний, результаты которых могли провести к необратимым последствиям и большому количеству жертв.

Исследователи поняли, что расчеты водородных бомб содержат множество ошибок, которые могут погубить человечество и даже разрушить Землю. Однако данные проблемы они скрыли.

Современные физики забыли эти уроки и пытаются создать новое оружие при помощи «Большого адронного коллайдера». Успехи атомной физики в современном мире обернулись выбросом в атмосферу огромного количества вредных веществ.

Флора и фауна нашей планеты погибает от пагубного воздействия разработок атомной физики. Для человечества крайне опасны атомные электростанции (Чернобыльская АЭС), однако на сегодняшний день происходит массовое затмение разума ученых и физиков.

Человечество неизбежно ждут новые катаклизмы и катастрофы, которые связаны с исследования и разработками новых технологий атомной физики.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/atomnaya_fizika/problemy_atomnoy_fiziki/

Booksm
Добавить комментарий