Звездное давление

Мы коллекционируем прогнозы. Предвидения ученых. Взгляды в будущее. Трудно четко разграничить прогнозы и гипотезы. С теми и другими дело обстоит так: где-то кончается область точных знаний о природе элементарных частиц, о видах энергии, о строении галактик и начинается страна неведомого, в которую проникают разведчики — гипотезы и прогнозы. Позвольте предложить вам сейчас путешествие в будущее на одном довольно узком участке научного фронта. Участок называется: физика и химия высоких давлений.

Состязание с собственной планетой

Наименьшее давление, которое удается создать в самых лучших вакуумных лабораторных приборах, равняется примерно тому, какое существует в 800 километрах над поверхностью Земли. «Выше» лабораторная техника пока еще не забралась.

А на дне одной из самых глубоких океанических впадин, Марианской в Тихом океане, давление равно 1100 атмосферам — величина, давно достигнутая инженерами. Углубимся теперь в земную кору, минуем подстилающие ее слои мантии, проникнем к ядру Земного шара: нас встретят здесь давления в 1 400 000 и даже в 3 500 000 атмосфер.

Больших давлений на нашей планете нет. Чтобы продолжить шкалу, нам придется отправиться в далекий космос.

В центре Солнца и похожих на него звезд давление равно миллиарду атмосфер, в центре белых карликов — ста триллионам. Возможно, что в центрах недавно открытых сверхзвезд давление еще в миллионы раз больше. Но нет оснований утверждать, что и эта величина — верхний предел шкалы давлений во Вселенной.

Шкалы природных давлений мы начали с нижнего предела, получаемого в лабораториях. От него до легко достигаемых давлений в сотни и тысячи атмосфер состояние вещества изучено во множестве самых разнообразных экспериментов.

Не так трудно оказалось судить о состоянии вещества и при давлениях в миллиарды атмосфер. В природе такие давления обычно связаны с огромными температурами в десятки и сотни миллионов градусов. Вещество при сверхвысоких давлениях и температурах становится сравнительно простым — не остается не только сложных химических соединений, но и простые молекулы, вроде молекул газов, раскалываются, а затем даже атомы раздавливаются, дробятся на составные части. Возникает довольно однородный и изотропный, то есть обладающий во всех направлениях одинаковыми свойствами, мир спрессованных элементарных частиц, состояние которого можно описать приемами теоретической физики. Химии, минералогии, технологии материалов в этом мире делать нечего.

Но о поведении вещества в широком диапазоне давлений — от нескольких десятков тысяч до миллиарда атмосфер — мы до самого последнего времени практически ничего не знали: о нем нельзя было судить на основании экспериментов, и ничего нельзя было сказать, опираясь на теоретические расчеты. Впрочем, особой нужды изучать такие состояния тоже не было.

Загадка белой полосы

Но сейчас положение изменилось. Многие практические вопросы и важные исследования не могут уже быть решены и проведены без знаний о поведении вещества именно в этой загадочной полосе. При проектировании двигателей ракет, атомных реакторов, сверхмощных турбин надо отчетливо представлять, как будут вести себя различные материалы, подвергнутые сильнейшему сжатию и при очень высоких температурах.

Кстати говоря, многие природные минералы некогда образовались именно при сверхвысоких давлениях. Если мы сумеем воспроизвести такие условия в лабораторных и, тем более, в заводских установках, то, возможно, родится новая отрасль техники: промышленность драгоценных камней и редких минералов. Первый, уже реальный пример такого рода — синтез алмазов. Начнется, вероятно, и выпуск таких материалов, которые не были предусмотрены природой. Однако здесь мы уже вступаем в область гипотез и далеких прогнозов.

Структура земного шара — мы лишь начинаем прощупывать его волнами взрывов — может быть полностью выявлена только тогда, когда мы узнаем, как ведет себя вещество под давлением в сотни тысяч и миллионы атмосфер. Но проникнуть к земному ядру труднее, чем попасть на поверхность Марса или Венеры. Вот почему так важно для геофизиков побывать в лаборатории сверхвысоких давлений и испытать поведение минералов при сжатии с силой в миллион и больше атмосфер.

Медленное наступление статиков

Наступление начали создатели длительных, так называемых статических, давлений. Прессы, которыми они пользуются, становятся все более могучими и громоздкими. Главное препятствие на пути статиков — текучесть, пластичность любого материала при очень высоких давлениях: даже прочнейшая сталь не может «удержать» ста тысяч атмосфер. Пришлось перейти к многоступенчатым системам, создавая внешнее давление, хотя бы частично компенсирующее то, которое распирает стальной сосуд изнутри.

На помощь приходит взрыв

Интересную идею выдвинул около десяти лет назад академик Я, Б. Зельдович: если так трудно получить статические сверхвысокие давления, то нельзя ли создавать их хотя бы на очень короткое время — на миллионные доли секунды? В этом случае станут не нужны толстостенные стальные сосуды: мгновенные давления в миллионы атмосфер не разорвут даже бумажного мешка.

Путь, предложенный Я. Б. Зельдовичем, был испытан группой физиков. В течение нескольких лет им удалось, ставя один рекорд за другим, создать и измерить давления до 10 миллионов атмосфер, перекрыв тем самым значительную часть «белой полосы». Вот один из способов получения сверхвысоких давлений. В прочной камере воспламеняется заряд сильного взрывчатого вещества. На пути расширения продуктов взрыва, как снаряд в дуле орудия, помещается стальная пластинка-ударник. Давлением газа на небольшом пути ей сооб¬щается скорость от 6 до 14 километров в секунду.

Напомним, что скорости искусственных спутников Земли равняются 8—11 километрам в секунду. Значит, пластинка-ударник, если бы дать ей свободно вылететь в пространство, могла бы преодолеть притяжение Земли и умчаться к далеким планетам.

Но не это интересовало физиков. Пролетев всего несколько сантиметров, пластинка с огромной силой ударяет в испытуемый образец. При их столкновении развиваются чудовищные давления, которые затем волнообразно распространяются в теле образца. Во фронте этой волны можно вести все интересующие физиков измерения. По-видимому, этим методом удастся достичь давлений в 10 и даже 15 миллионов атмосфер и плотностей, в 3—3,5 раза превосходящих нормальные. В настоящее время для некоторых веществ эта граница почти достигнута.

Итак, рекорд давлений на Земле теперь принадлежит не самой Земле, в центре которой, как уже говорилось, вещество сжато «всего» 3,5 миллиона атмосфер, а физикам, в лаборатории которых уже получены гораздо большие давления. Что же нового узнали мы благодаря этому?

Метаморфозы вещества

«Все вещества сжимаемы» — это звучит примерно так же, как утверждение «все люди смертны», — в нем нет ничего неожиданного, оно кажется самоочевидным. Но совсем иное дело сказать: можно сжать медь или алюминий, воду или силикаты в два и в три раза. Это еще недавно казалось немыслимым.

Но вот вода, плотность которой обычно принимается за эталон, была подвергнута давлению в 600 тысяч атмосфер. И оказалось, что удельный вес ее при этом возрастает в два с половиной раза! Для металлов понадобились давления побольше. Чтобы уплотнить вдвое марганец, нужен миллион атмосфер, а для меди даже девять миллионов. Но вещества не просто сжимаются в миллионно атмосферных тисках подобно резине — в них происходит перестройка кристаллических решеток, атомы упаковываются плотнее.

Иногда эта новая упаковка сохраняется и после снятия давлений. Так был создан из обыкновенного кварца новый минерал, названный по имени своих открывателей (Стишова, Поповой, Верещагина) стиповеритом. Процесс перехода графита в алмаз, требующий в статических установках многочасовой выдержки, при сверхвысоких, «взрывных» давлениях завершается за десятимиллионные доли секунды.

Но самое замечательное превращение происходит с электрическими свойствам веществ. Уже при нескольких сотнях тысяч атмосфер (как легко теперь говорят физики об этом!) полупроводники становятся металлами и диэлектрики (изоляторы) — полупроводниками, а при миллионах атмосфер уже почти все вещества приобретают металлическую электропроводность. Это означает, что нижние слои мантии и ядро Земли, независимо от того, из каких минералов они состоят, должны прекрасно проводить электрический ток. Не тут ли разгадка природы земного магнетизма?

Автор: М. Карев.