苏联科学的发展速度很快。现在,全国有5000多个科研机构,拥有450万工作人员,科研经费占国民收入的5%,约300亿卢布。本文将介绍苏联近10年来的物理学发展的新成就。
天体物理
在宇宙空间的研究方面,近10年来取得了一系列新成果。人造地球卫星和宇宙站在天体物理研究中起着重要作用。在30年前,从发射第一颗苏联卫星起就开创了天体物理研究的新纪元。
近几年来,在天体物理领域中影响最大的事件是《维伽号》宇宙飞船探测哈雷彗星。《维伽 - 1》号和《维伽 - 2》)号宇宙飞船飞抵神秘的哈雷彗星只有8千公里远的太空进行探测活动,这个距离从相对宇宙角度来看是非常近的。飞船拍摄了彗核照片,研究了彗星周围的粒子流和电磁现象,测定了彗星物质的化学成分。在探测过程中,苏联科学家曾克服了无数的技术困难,诸如正确及时地拍摄彗核的问题,保护飞船上的仪器免遭彗星附近的陨星粒子的撞击等问题。
《维伽》号飞船探测计划是国际科学合作的光辉典范。在《维伽》号宇宙站上装有9个国家的仪器。这些仪器所测得的资料,被用来引导欧洲《乔托》号宇宙探测器。
苏联在金星方面的研究处于领先地位。《金星》站及其它航天设备所获得的资料能够测定金星上的大气状况及其化学成分。《金星 - 15》和《金星 - 16》宇宙站用无线电定位方法无比精确地测定了金星表面的地貌。
在《圆锥》号宇宙飞行器上装置了γ射线探测器,在探测过程中发现了γ射线的爆炸现象,它具有宇宙起源的特点。在中子星附近发现了类似于回旋加速器射线的辐射。
《遗迹》号飞行器用8毫米波拍摄了剩余辐射区的天空亮度,测量了地球相对这种射线的运动速度并提供了速度的变化状况。
《和平》号轨道站的国际天文台《X光》号和《量子》号上装有苏联仪器以及英国、荷兰、联邦德国和欧洲宇宙机构的仪器,拍摄了大麦哲伦星云的区射线照片,观倒了不久前超新星大爆炸地区,获得了第一批丰硕的成果。
在苏捷共同研究的《Интуршок》计划中,研究了近地空间等离子体的不碰撞的冲击波。
大功率《能量》级火箭系统,不久前顺利地进行了试验。该火箭系统的开发,为进一步驾驭宇宙空间创造了更大的可能性。
从宇宙研究天体物理,虽取得了许多成果,但并非意味着可以降低从地面观测天体的作用。为此,苏联建造了世界最大的БTA型光学望远镜和《PATAH-600》射电望远镜。1984年西伯利亚的太阳射电望远镜投入使用,其分辨率用5.2 cm,波时为20″。
基本粒子物理
近10年来,世界基本粒子物理的主要成就是欧洲核研究中心于1983年发现了W和Z玻色子。这个发现之所以可能,是由于建造了质子 - 反质子对撞机。这种对撞机的构想,苏联在20年以前就提出。美国也拥有这种对撞机,其功率比欧洲的更大,现已投入使用。今年美国的电子 - 反电子对撞机生产了第一批Z玻色子。欧洲核研究中心将在两年后生产。苏联在1990年之前不会建造生产W和Z玻色子的对撞机。
苏联物理学家在高能物理领域进行了许多试验,首先用谢尔普霍夫加速器发现了一系列新介子。特别有意义的是发现了一种自旋值等于6的空前特大的介子以及一些不是由一个夸克和一个反夸克组成,而是由两个夸克和两个反夸克组成,有时则由两个胶子组成的很奇特的介子。
在新西伯利亚,用对向电子束通过共振去极化方法测量εN介子,其测量精度是空前的。
有些苏联研究小组参加了国际科研团体,用外国的高能加速器进行研究。他们在合作研究中也获得了许多成果,首先是发现了B介子和B-介子在真空中相互转化。这项发现是在联邦德国电子同步加速器中心,用对向电子 - 反电子束实验室的APГУC装置完成的。还值得一提的是在欧洲核研究中心用ЧAPM装置完成了中性中微子流截面测定,这样就能测定电弱理论中的重要多数 - 温贝格(Вайнберг)角,其测量精度是空前的。
我们许多研究所在小功率实验条件下所做的试验中,取得了一系列有关空间宇称不守恒的弱过程的重大发现:首先发现了在快速中子和核的相互作用时字称不守恒的共振力;发现了轴核和让核在受极化中子起爆分裂时散片飞离的P - 不精确对称性;发现了在激光通过原子铋偶时光的极化转变,这证明了存在着弱中性的电子电流。对于中子的电偶极矩值通过超冷中子获得了最低的上限。
1980年,对氚的β衰变所产生的电子光谱经过周密测定后认为,在中微子存在着约有数十电子伏的非零物质,这条消息引起物理学界极大的震动。现在,世界各国约有20多个研究所在进行类似的试验。但是最终证实或者推翻这个结论的消息,目前还没有。在罗夫诺和在莫斯科的两个研究组测量了从反应堆出来的中微子流,推翻了过去法国物理学家们所提出的关于存在中微子振荡的报告。
令人特别感兴趣的是关于1987年2月23日观察到发生在超新星爆炸之前的几次中微子事件。成功地制造了镓 - 锗探测器,更有利记录太阳中微子主流。在实施这个计划最有意义的是苏联理论家于1985年所作的理论预见,按照这个预见,从太阳中心出来的电子中微子可以在太阳物质中发生共振转变成其它类型的中微子,例如转变成μ子中微子。
在理论方面,近10年中值得庆贺的事是最终证实了所谓强相互作用和电弱相互作用的标准模型,这是根据校准群SU(3)× SU(2)× U(1)证实的。
在量子色动力学强相互作用理论中,主要未解问题是:阐明夸克和胶子不飞出的机理和创造定量计算强子和它们相互作用的断面。强子的静态特性(质量、磁矩等)可根据苏联物理学家和理论家所创造的量子色动力学总量法则有效地算出。在这方面,苏联物理学家引入的胶子场两次真空平均值起着重要作用。在其它方法方面,也有相似作用。
强相互作用和电弱相互作用的大统一模型,虽暂时尚未经实验证实,但苏联理论家在研制这些模型作出了重大贡献。他们曾预先指出,在这些模型的框架内必须实现超重单磁极,这些单磁极与质子相撞时必然有效地起到催化作用,把质子转化成反电子。
对由苏联首先提出世界各国正在研究的超对称有很大希望。在超对称基础上计划实现电弱相互作用和强相互作用同重力的超统一。近几年来,我国组织7强大的科研队伍研究称为超弦的理论,超弦的弦长只有10-33厘米。超弦的模型表明,在这样小的弦的尺度内须明显地呈现6个附加的空间维,它们不同于普通的四维:t、x、y、z。这六维互相卷缩着。超弦模型最初是国外提出的,但苏联许多研究所都在积极研究超弦。苏联理论家在研究超弦的同时,在正确解决的二维量子 - 理论场模型方面的研究取得了令人兴味盎然的结果。
等离子体物理
苏联在等离子体性能方面的研究,投入大量人力,因为这关系到受控热核反应的进展。苏联科学家在受控热核聚合方面提出了最优方案,创制了“托卡马克”它是一种环状大电流的箍缩等离子体的实验装置,它是创制热核反应堆最有前途的装置。苏联在最大的“托卡马克”T-10型装置上研究热等离子已有10余年。成功地把苏联无线电物理学家研究的强大电磁辐射源(振动陀螺仪)应用在托卡马克装置上,使电子温度达到1亿度。
世界上第一台带超导绕组的托卡马克T-7型装置运转正常。在此基础上正准备创制大型超导托卡马克T-15型装置,其中等离子体积约25 M3。苏联物理学家准备用这个新装置使等离子体的温度和密度达到热核反应堆所需的程度。
同T-15型托卡马克配套创制的有TCM强磁场装置,这个装置可以进行氘 - 氚等离子体的试验。
“托卡马克”计划在全世界正在顺利地进行着,我国提供了研制这类热核反应堆的科学基础。目前我国正在制订OTP试验型反应堆方案。在这方面,国际原子能机构的成员国开展了非常有益的国际合作。团结国际力量,朝着一个目的即掌理取之不尽的新能源的利用技术,造福世界人民,这是苏联的首创精神。
有关受控热核聚变其它一些有发展前途的研究,也正在探索之中。在磁控等离子体系中值得提出的是仿星器和反射式磁约束装置。
苏联科学家在研究磁约束法同时,也在研究惯性约束等离子体方法。其中最重要的方向是激光热核聚变。利用激光控制热核聚变的思想是苏联科学家首先提出并进行了探索性的理论研究和实验论证。通过一系列研究工作表明,这种方法有成功的希望。
受控热核聚变的深入研究导致产生了一个新的物理分支——高温等离子体物理。苏联科学家发展了无碰撞等离子体理论,这是以自给电磁场集合过程的等离子体的振动和声为基础的。因此,对于在试验中所观察到的现象,其中也包括在宇宙等离子体所产生的现象,作出定性的说明,在许多情况下能作出定量的解释。等离子体物理对孤子理论和动力无序理论的发展,起着强大的推动作用。这些理论在近10年内都发展成为理论物理和数学物理的独立的分支。苏联科学家在建立这些分支中作出了重大贡献。
等离子体基础物理的发展和试验技术的完善,极大地推动了等离子体的应用研究。现在,在冶金和石油化工已发展了一系列等离子体和等离子体化学工艺。我国已经建造并正在应用脉冲 - 爆炸式和固定式MTA型大功率磁流体动力发生器。苏联科学家研制了工作可靠的、可应用在宇宙飞行器和工业各方面的等离子体火箭推进器,它利用等离子流代替燃气流。
固体物理
固体物理大概是现代物理中最庞大的领域。在这个领域的研究人员和经费约占国家提供给整个物理研究的50 ~ 70%。固体物理的研究成果广泛应用在各个技术领域。在固体物理研究领域中,对普通导电理论作量子修正的研究,取得了重要和不可估量的成果。研究发现,电子波干扰导致产生一系列新现象,其中包括取决于磁流强度的电阻的量子振动。这个效应也是我国首先发现的。
在研究半导体的跳跃电导方面,取得了显著的进步,特别是库仑狭缝的作用和载体在负供体和正受体中心移动的原理,作出了精辟的解释。
创造了新型异结构,包括在AⅢBV和AⅣBⅥ半导体基础上的量子穴和超晶格以及优质硅MДП(金属 - 介质 - 半导体)结构。它们是许多物理试验和技术运用的基础。
在近几年内,固体物理中最重大事件之一是发现量子霍耳效应。这是国外首先发现的,但是苏联科学家在这方面有很大贡献。他们曾预见并发现了量子化法拉第转变,发现了在硅MДП结构中的分散的量子霍耳效应。
激子和电子复合体的光谱学在传统上都是苏联科学家积极活动的领域。近几年来的研究表明,在强抽吸时,在光谱的激子范畴内存在着新的准粒子。在晶体中存在电子 - 空穴液滴的界限推前到较高温度范围。在硅晶体中发现了双激子。对多电子杂质复合体也做了研究,其结构的外壳模型也作了证明。
发现了半导体光导的磁杂质振荡的新现象,这种现象构成杂质中心及其松弛时间的光谱测量法。
在热电子物理中获得了令人瞩目的进展。对正交电场和磁场的空穴行为的研究表明,在可能产生填充转换的脉冲空间存在着“陷阱”。在这种效应的基础上创制远红外谱段的激光器。
半导体的激子和电子的光学定位研究有新的发展,已获得的成果有核自旋的深冷,它依靠定位电子自旋的相互作用和按脉冲使电子定向来实现的。
1986年底 ~ 1987年初,在超导领域获得了可能是近几年来物理界最重要的突破。研究成功了高温超导体,超导的转变温度开始约40 K,后来90 K。从此在超导发展上克服了“氮障碍”高于液氮沸点温度存在着超导现象,开创了超导体在科学和技术上应用的广阔前景。苏联科学家在高温超导课题上做了大量研究工作,但是成果是外国创造的。现在我国的物理学家积极参加新超导体的理论研究和实验工作。
苏联理论家在研究拥有“重费米子”型载体的物质方面,作出了重大贡献。这些物质的超导性看来具有特殊性能。
近几年来,许多国家大力开展超低温(1 mK级)研究。重要的研究对象是超流体3He,它同时具有超流液体、磁性体和液晶的性能。我国在该领域的落后状态,现在已经克服。获得了超流体3He,研究了它的磁性,发现了磁性旋进的相跳跃效应。目前,我国3He超流体理论研究达到了很高水平。应用拓扑学方法能够研究序参数的特点和建立3He旋转理论,这是经过苏联和芬兰共同试验证实的。
低温量子晶体的研究在继续进行。发现了超流体4He晶体的原子糙度现象。在研究这些晶体的量子弥散时获得了可喜的成果。
光学和激光物理
身近10年来,在量子电子学、激光物理和光学领域内的基础研究和应用研究的发展速度很快。
苏联科学家在创造新一代固体激光器(用激活晶体和玻璃)处于领先地位。这种激光器的效率高,能够覆盖从前不能应用的波段(特别是中红外光波段),并能平稳地按频率变换。
新型激光器的独创性研究工作也在顺利地展开,例如半导体激光器(新型异质结激光器、注射激光器)、受激准分子激光器、高压大功率气体激光器、链式反应化学激光器。苏联已完成了激光频率标准的研究工作,能实现频率的稳定性10-16 ~ 10-17。
光学的面貌产生了巨大的变化,出现了宽广波谱的新课题,许多课题,若是从传统观念去理解的话,远远超出了物理光学和应用光学的界限。
强光场对物质作用的研究,取得很大进展。
在多光子激励和多原子分子的离解方面的研究工作,获得重大的新的成果。对强力激励的多原子分子的强迫振动的随机机理有了进一步了解;从所取得的成果来分析,激光化学和激光合成物质的前景将更快实现。
苏联物理学家完成了半导体激光退火的开拓性研究工作,这样就能快速和优质地使半导体在离子植入后或其他原因之后产生的非晶形的表面层再结晶。这些研究促进了激光诱发半导体相变的十分有益的工作,这种相变发生的时间只有纳诺(10-9)秒、皮可(10-12)秒、甚至亚皮可秒的瞬间。大功率激光辐射对金属作用的研究工作,我们已经顺利地开展了约20年(近几年在研究辐射与周期表面结构的相互作用,获得了重大的新成果)。上述研究工作组成了激光技术的物理基础,这是激光器最重要的研究重点之一。近10年来,在该领域已取得一系列丰硕的成果。
非线性光学的研究工作得到进 - 步发展。我国许多机构的共同努力已经创造了高效非线性光学变频器(频率放大器、参量振荡器等),它覆盖的波段很宽,从真空紫外波到远红外波。因此,它已被广泛地用于物理研究工作。在非线性材料方面的重要研究成果,诸如水溶晶体的快速增长、高效晶体的创制等,也应归属于苏联物理学家。
光导纤维的非线性光学研究,也得到顺利发展;皮可秒和飞姆托(10-15)秒的激光脉冲的激发技术和物理机理,都取得新的成果。苏联物理学家首先发表了波面转化的基本原理的研究论文(利用强制散射和四波位移的原理);全息照相光束结构控制的新方法已经研究成功。在波面转化、非线性光学处理信息以及新型非线性材料(光折射晶体和液晶)的动态全息照相等这些领域,硕果累累。
场强度1010 ~ 1011/cm的大功率超短光脉冲的发生技术,这几年来我国在这方面已取得了显著成果,这些成果已用来检验非线性量子电动力学的原理。
在激光光谱学的研究,特别是非线性激光光谱学,是处在领先地位。共振光致电离光谱学的方法研究获得了很大成果。可以说,这种方法的敏感性,现在正处在单原子和分子的记录水平。近几年来,光致电离法已有效地用来研究短生存期原子核的原子谱线的同位素结构和超精细结构。
在苏联,半导体激光技术已应用于高分辨率振动分子光谱学。表面非线性激光光谱学发展迅魂:利用光的非线性反射能够开发物质表面变异的诊断法。复杂分子的可遇光谱学也获得了新的成就。新型光记忆 - 光谱记忆,可用以记录或处理信息,是很有发展前途的方法。
总之,线性和非线性激光光谱的大量现代技术,在极大程度上扩展了激光诊断物质的可能爆。这涉及到有效地解决一些不久前还认为不可能的光技术课题(热等离子、爆炸过程、复杂分子快速变异、单原子和单分子记录、表面单层记录等)。
近十年来,科学家们对量子光学产生浓厚兴趣,致力于研究光场发生(与传统不同),探索光场量子波动的减少方法。在这方面,苏联物理学家在60年代中期已经取得显著成果(压缩状态的产生和参量过程的双光子产生),近几年来,在原有基础上进一步发展,取得了新的成果。
[Уcnexn Фnз Hаук,1987年第11期]