Примером того, насколько сильно физические исследования влияют на наши представления о вселенной, может служить определение массы нейтрино. Нейтрино с момента своего открытия (а точнее — введения; нейтрино сначала было придумано теоретиками, а затем через много лет обнаружено в эксперименте) представлялось как частица с нулевой массой покоя, хотя не было достоверных данных, что это именно так. Результаты многолетних работ, проведенных в Институте теоретической и экспериментальной физики, свидетельствуют о том, что масса покоя нейтрино не равна нулю. По предварительным данным, она составляет 20—30 эВ (электрон-вольт). Это очень малая величина, она примерно в 30—50 тысяч раз меньше, чем масса такой легкой частицы, как электрон, и в 40 миллионов раз меньше массы протона.
И вот, несмотря на такую невероятную легкость, нейтрино с массой покоя, отличной от нуля, оказалось в центре внимания астрофизиков. Подсчеты показали, что в целом ряде звездных скоплений никак не сходится динамический баланс: если, измерив скорость звездных объектов скопления, подсчитать их кинетическую энергию, то она окажется заметно больше, чем должна быть с учетом видимой массы. Иными словами, видимой массы этих объектов просто недостаточно для того, чтобы гравитационное притяжение тел, препятствующее их разлету, удерживало движущиеся объекты в их скоплении. А это значит, что в движении объектов участвует некая скрытая масса. Вполне вероятно, что ее образуют именно нейтрино — их во вселенной должно быть очень много, а их суммарная масса, возможно, значительно больше массы небесных тел, межзвездного газа, пыли и т. п. В этом последнем случае по-новому представляется и весь процесс расширения вселенной в будущем: расширение уже не может быть беспредельным, как предсказывает модель, построенная без учета скрытой массы; через какое-то время оно должно смениться обратным процессом — сжатием.
На примере астрофизики наглядно видно, как много значат в науке измерения, совершенство измерительных приборов и методов. Всю жизнь астрономы наблюдали звездный мир сквозь довольно узкое оптическое окно, прикрытое к тому же атмосферой. А за несколько последних десятилетий были созданы приборы для наблюдения неба в радиодиапазоне, в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучах; диапазон наблюдаемых частот (длин волн) по сравнению с видимым светом расширился на 12—14 порядков, то есть в тысячи миллиардов раз. Всеволновая астрономия не только дала дополнительную информацию о видимых в оптике объектах, но и показала нам объекты, которые в световом диапазоне с Земли не видны. Причем появились совершенно новые инструменты наблюдений, такие, например, как межконтинентальные радиоинтерферометры с разрешающей способностью в десятые доли угловой миллисекунды. Имея оптический прибор с таким разрешением, мы могли бы из Москвы увидеть предмет миллиметровых размеров, находящийся в Ташкенте. С помощью интерферометров высокого разрешения был, кстати, замечен далекий звездный объект, вокруг которого на расстоянии порядка 1 а. е. (астрономическая единица — расстояние от Земли до Солнца, то есть 150 миллионов километров) обнаружены водяные пары, что дает право думать об этом объекте как о некотором подобии солнечной системы.
Предложенная в Институте космических исследований методика объединения радиотелескопов в большие межконтинентальные системы давно получила мировое признание, и уже много лет лучшие инструменты разных стран в совместных экспериментах добывают ценнейшую информацию об астрофизических объектах, в том числе у самого горизонта видимой вселенной.
Серьезных успехов добилась в последние годы и гамма-астрономия. Достаточно вспомнить выполненные довольно скромными средствами работы ученых Ленинградского физико-технического института, поставивших оригинальный космический эксперимент на межпланетных станциях и получивших обширные данные о вспышках, всплесках гамма-излучений. Сейчас источники таких всплесков надежно отождествляются с нейтронными звездами, а еще совсем недавно гамма-всплески относили к таинственным явлениям вселенной.
В ближайшие несколько лет, вероятно, станет реальностью использование еще одного источника информации о событиях, происходящих в космосе, — гравитационных волн. Теория относительности утверждает, что гравитационные волны должны существовать, однако реально их еще пока никто не регистрировал. Дело в том, что изучение гравитационных волн — процесс с очень низкой эффективностью, и трудно себе представить лабораторные установки, мощность которых была бы достаточной для излучения даже очень слабых, едва уловимых гравитационных воли. Мощные генераторы гравитационных волн должны быть в космосе — эти волны появляются, в частности, при взрывах сверхновых звезд и иных космических событиях подобного масштаба. Но такие источники находятся далеко, и расчеты показывают, что гравитационное излучение, добравшееся до Земли, лишь на 10-18 — 10-19 сантиметра могут раскачать «гравитационную антенну» (гравитационная антенна — большое тело, которое под действием упавшей на него гравитационной волны начинает сравнительно медленно, с частотой в несколько килогерц, колебаться).
Регистрация механических колебаний со столь малой амплитудой может показаться нерешаемой задачей — нужно замерить размах колебаний, который в сто тысяч раз меньше атомного ядра. И здесь мы видим еще один пример типичной реакции физики на неразрешимую задачу: в Московском государственном университете создана установка, которая уже надежно регистрирует механические колебания с амплитудой около 10-17 сантиметра. Одновременно университетские физики совместно с Институтом кристаллографии ведут работу по совершенствованию гравитационных антенн; и можно надеяться, что еще одна неразрешимая задача — прием гравитационного излучения из вселенной — будет решена.
Астрофизика, физика высоких энергий, как и ряд других направлений физики, — передовые силы науки в ее наступлении на неизвестность. Эти области научных исследований закладывают фундамент наших знаний о мире, и именно поэтому их называют фундаментальными, базовыми. Главная задача фундаментальной физики — как можно более глубокое познание природы вещей, зачастую без каких-либо конкретных расчетов на практическую полезность добытой информации, без выдачи авансов технике, промышленности. Истина, глубокое понимание природы физических процессов, их закономерностей — вот бесценный продукт, добываемый фундаментальной физикой.
И в то же время опыт учит, что не бывает фундаментальных знаний, добытых без пользы, что на их основе всегда вырастают новые области прикладной физики, а затем и новые области техники, технологии, дающие человеку существенные блага, делающие его более сильным. Вспомним, например, исследования атомного ядра, которыми поначалу занимались несколько десятков ученых, пожелавших узнать, что из чего состоит. Знания, полученные в этих исследованиях, открыли человечеству принципиально новый путь к столь огромному богатству, как энергия. До становления ядерной физики человек, как и его далекий предок, был просто собирателем, он удовлетворял свои энергетические аппетиты только тем, что отпускала ему, разумеется в ограниченном количестве, природа. И лишь сейчас открываются возможности активного добывания энергии, пока используя ядерные реакции деления, а вскоре и термоядерные реакции синтеза, что должно навсегда исключить из нашего лексикона такие словосочетания, как «энергетический кризис» или «энергетический голод».
А вот другой пример. Фундаментальные исследования в области физики твердого тела сделали реальностью современную полупроводниковую микроэлектронику. На возможность создания полупроводниковых приборов изобретатели натолкнулись довольно давно. Еще в 30-е годы нижегородский радиоинженер О. Лосев создал первые полупроводниковые усилители и генераторы. О его работах был широко оповещен мир, у крупнейших радиотехнических лабораторий появилась возможность развивать полупроводниковую технику. Однако процесс этот задержался почти на два десятилетия, так как в то время не было еще фундамента для становления полупроводниковой электроники. Это стало возможным лишь после того, как были детально изучены и глубоко поняты тонкие и сложные физические процессы в твердом теле.