Вселенная на кончике пера

Для физиков открытия «на кончике пера» стали правилом. В самом деле, и теория относительности, и квантовая механика с их изощренными и весьма парадоксальными выводами, «антимир» и термоядерный синтез, лазеры и нелинейная оптика родились впервые в лабораториях теоретиков. Экспериментальные случайности, вроде прославивших девятнадцатый век открытий Эрстеда и Беккереля, подаривших миру электромагнит и радиоактивность, теперь уже крайне редко балуют ученых.

Экспериментаторы нашего времени ухитряются воплощать самые замысловатые пожелания теоретиков, и эксперимент стал столь же эксцентричным, как и рождающиеся на бумаге откровения ученых.

Надо сказать, что подобных «предсказывающих» теоретических работ становится все больше и больше. Вот несколько из них, появившихся совсем недавно. Правда, пока они не проверены суровой дланью эксперимента. Новая модификация лазеров, термоядерный синтез, поиски таинственных гравитонов, гигантские космические катастрофы и их земные аналогии… Вселенная на кончике пера.

Черные дыры в земной лаборатории!

Гравитационные волны и их носители — пресловутые гравитоны. Сколько лет ученые гоняются за этими бесплотными тенями, пытаясь их обнаружить. Гравитационные волны предсказаны общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. По идее, они должны появляться, и в количествах, доступных для измерений, при резких изменениях массы тела или его положения в пространстве. Физики с надеждой устремляли свой взор и свои приборы в бескрайние просторы космоса. Там, в водовороте грандиозных катастроф, когда рождаются и погибают звезды, когда гигантские вихри вещества пронизывают беспредельное пространство, должны возникать мощные источники гравитационных волн. Их дыхание как отголосок происшедших событий должно рано или поздно достичь нашей планеты.

С нетерпением ждут ученые не столь редких, на их взгляд, событий, как, например, столкновение двух коллапсаров. Сверхплотные образования, они носят романтическое наименование «черные дыры», так как обладают столь чудовищной массой, что не выпускают из пут своего тяготения световые лучи. А при их столкновении должно выделяться колоссальное количество энергии, не сравнимое ни с чем другим во Вселенной. Астрономы предполагают, что в центре Галактики «черные дыры» реально существуют и могут взаимодействовать подобным образом.

Но скептики не уверены, существуют ли в самом деле коллапсары. Поэтому неплохо бы поискать источники гравитационных волн где-нибудь поближе, на Земле. Или создать нечто вроде «черных дыр» в земных лабораториях и управлять их работой.

Сотрудникам Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга — Л. Гришуку и М. Сажину — удалось это сделать. Разумеется, пока что на бумаге, но, видимо, и технически задача разрешима.

За основу своей установки астрофизики взяли самый обычный резонатор, излучатель электромагнитных волн. Как будто ничего нового это предложение не дает. Известно, что электромагнитное поле резонатора, взаимодействуя с его стенками, заставляет их колебаться и, видимо, излучать гравитационные волны. Вопрос в другом — насколько эти волны мощны. Сколько резонаторов понадобится, чтобы сделать их доступными измерениям?

Л. Гришук и М. Сажин добросовестно произвели расчет и с удивлением убедились, что тысяча сверхпроводящих резонаторов, соединенных последовательно, могут создать поток гравитонов, сведенных в узкое пятно площадью в один квадратный сантиметр. И, если в центре этого пятна появится прибор, с помощью которого физики вот уже который год обшаривают угрюмый космос в тщетных поисках волн тяготения, они, вероятно, смогут, наконец, «нащупать» гравитоны. И дать ответ на вопрос, столько лет волнующий науку.

Комариный писк одного резонатора при благоприятных условиях усиливается тысячью подобных установок в миллион раз. И чувствительности электромагнитного детектора гравитонов уже должно хватить на эти измерения.

Таким образом, путь указан, дело за техническим воплощением идеи. Правда, общий объем резонаторов выражается круглым числом, достигая тысячи кубометров.

И все это в условиях сверххолода. Так что инженерам придется потрудиться. Но, как они говорят сами, все это в пределах разумного. Так что остается ждать эксперимента…

Лазер из плазмы

Открытие лазеров — классическая иллюстрация примата теории в современной физике. Сам принцип лазерного излучения как следствие теории Эйнштейна был предложен учеными. И с тех пор все разновидности совершенного оружия науки родились сначала в лабораториях теоретиков и лишь потом обретали реальные черты технических установок.

После «твердых» лазеров появились газовые, ионные, молекулярные — химические. Физики разработали оптические квантовые генераторы, где излучателем служат органические красители.

И каждый раз работа шла по одной и той же стереотипной схеме: оригинальная теория, точный расчет, модель установки.

Теперь на очереди «лазер из плазмы». Он пока что не вышел из «теоретических пеленок». Грубо говоря, все оптические квантовые генераторы работают на одном принципе. Атомы вещества заставляют излучать свет особым образом, это вынужденное излучение характеризуется строго постоянной частотой, одним цветным одеянием, без каких-либо оттенков. Монохроматичность лазерного излучения — главная его особенность и источник всех чудесных свойств.

В рубиновом лазере излучают атомы хрома, в газовых лазерах — электрический разряд, в химических — различные химические реакции. Плазменный лазер будет использовать охлаждающуюся плазму.

Плазма — четвертое состояние вещества, где все атомы лишены своих электронных оболочек, где собраны воедино электрически заряженные частицы. Естественно, что предоставленные самим себе, они довольно быстро соединяются, и разноименные заряды исчезают, поскольку «плюс» с «минусом» в сумме дают нуль.

По замыслу физиков, именно этот процесс умиротворения плазмы и должен служить источником излучения. Холодная плазма самонейтрализуется весьма бурно. И при особых условиях это исчезновение заряженных частиц, их перерождение в обычное нейтральное вещество, должно сопровождаться излучением типа лазерного. Правда, возникает вопрос, что делать дальше, когда плазма придет в нейтральное состояние? Ведь она перестанет излучать. Но теоретики подготовили практическое предложение. Мощный пучок электронов будет вновь и вновь переводить плазму в первоначальное состояние, поскольку под дружным напором электронов нейтральные атомы распадаются на заряженные частицы. Плазменный лазер будет работать почти непрерывно. На очереди — первые эксперименты, первые практические модели нового лазера.

Космическое «антидинамо»

Масштабы любого космического процесса грандиозны. Солнечные вспышки, к примеру, поистине потрясают воображение наблюдателя. Но ученых это явление не столько поражает, сколько удивляет. В самом деле, откуда появляется энергия, которую Солнце за считанные минуты излучает в пространство? Многие считают, что энергия эта магнитного происхождения и появляется за счет уничтожения одного из обширных магнитных полей, которыми изобилуют внутренние слои светила.

Но как за столь короткое время (вспышка длится около десяти минут) собрать воедино магнитную энергию, рассеянную на площади в десятки тысяч квадратных километров? Столь же быстро, по мнению физиков, должно «поворачиваться» магнитное поле солнечного ветра, магнитосферы Земли и множества других полей космоса. Именно так, за считанные минуты, идут различные процессы переориентации магнетизма, когда, например, во время «бури» магнитосфера «раздевается» — вполне научный термин, означающий резкое уменьшение, а то и полное исчезновение ее магнитных свойств.

Поскольку все эти процессы происходят в плазме, из которой и состоят звезды и всякого рода «хвосты» комет, причем магнитное поле накрепко связано с плазмой, «вморожено» в нее, ученые стали предлагать различные сложные механизмы, объясняющие столь легкомысленное поведение магнетизма при неизменной стабильности самой плазмы. Думали, что существуют противоположно направленные магнитные поля, которым при сближении положено уничтожаться, предполагали и временную неустойчивость самой «праматери»-плазмы, и ее вихревые движения.

Но ларчик может открываться гораздо проще. Так, по крайней мере, думает физик-теоретик С. Вайнштейн. Он рассчитал, что произойдет с плазмой, которая двигается достаточно быстро. Кинетическая энергия движения должна быть больше магнитной энергии — таково условие. Это и удалось выяснить, пока — «на кончике пера». И оказалось, что в этом случае может срабатывать механизм, названный исследователем «антидинамо» — уничтожение. В течение считанных минут магнитное поле, простирающееся на тысячи километров, прекратит свое существование или изменит направление. Именно это и происходит на Солнце и в магнитосфере Земли.

Пока что все расчеты показывают — теория прекрасно сходится с практикой. За восемь минут энергия магнитного поля Солнца перейдет во вспышку, столь же быстро будет перестраиваться магнитосфера Земли, обтекаемая быстрым солнечным ветром. Странно только одно — если антидинамо встречается столь часто, то непонятно, что же поддерживает плазменные магнитные поля, которые, оказывается, так легко уничтожить! А ведь они существуют. И чуть ли не ежечасно происходят солнечные вспышки! Так что кроме «антидинамо» в плазме, очевидно, действует и «динамо» — генератор магнетизма.

Конечно, имитировать солнечную вспышку на Земле невозможно. Но ведь плазма — родоначальник термоядерного синтеза, о котором мечтают энергетики, плазма — рабочее вещество магнитогидродинамических генераторов — знаменитых МГД, которые должны совершить переворот в технике. Так что для прикладной науки, может быть, весьма важны станут механизмы ярких солнечных вспышек, и эксперимент не заставит себя ждать!

Пробка для магнитной бутылки

Как известно, путь к созданию самого совершенного источника энергии — генератора термоядерного синтеза — достаточно тернист.

Плазма — среда, где могут происходить реакции соединения атомных ядер — крайне прихотлива. Долгое время физики не могли создать сосуд, способный удержать ее сколько-нибудь длительное время. Наконец, физики сконструировали оригинальную установку, где роль стенок играет магнитное поле. И плазма, попав в магнитные тенета, застревает там на некоторое время. Но все равно жизнь плазмы и в этих условиях поистине эфемерна. Потому главное сейчас — борьба за время. Чем дольше живет плазма, тем выше можно поднять ее температуру, тем ближе заветная цель — синтез ядер.

Сейчас академик Г. Будкер предложил еще одну модификацию магнитной ловушки. Он назвал ее гофрированной, поскольку вдоль пути плазмы магнитное поле то усиливается, то ослабляется, создавая множество узких пробок.

По идее, термоядерный джинн, попав в новую магнитную «бутылку», должен прожить гораздо дольше, чем в любом другом помещении, предоставляемом ему в современных лабораториях.

Проверил эту теорию сам академик Г. Будкер, явивший в одном лице и теоретика и экспериментатора. Его камера с тринадцатью пробками сделала свое дело. Вместо обычных полутора микросекунд время жизни плазмы составило шесть микросекунд — в четыре раза больше!

Значит, верна теория, и создана установка, которая наверняка займет видное место на пути к полному техническому освоению термоядерного синтеза.

Автор: Борис Смагин.