Всесвіт на кінчику пера

Для фізиків відкриття «на кінчику пера» стали правилом. Справді, і теорія відносності, і квантова механіка з їх витонченими і вельми парадоксальними висновками, «антисвіт» і термоядерний синтез, лазери і нелінійна оптика народилися вперше в лабораторіях теоретиків. Експериментальні випадковості, на кшталт відкриттів Ерстеда і Беккереля, що прославили дев’ятнадцяте століття, які подарували світу електромагніт і радіоактивність, тепер вже вкрай рідко балують вчених.

Експериментатори нашого часу примудряються втілювати самі мудрі побажання теоретиків, і експеримент став настільки ж ексцентричним, як і одкровення вчених, що народжуються на папері.

Треба сказати, що подібних «пророкуючих» теоретичних робіт стає все більше і більше. Ось кілька з них, що з’явилися зовсім недавно. Правда, поки вони не перевірені суворою долонею експерименту. Нова модифікація лазерів, термоядерний синтез, пошуки таємничих гравітонів, гігантські космічні катастрофи та їх земні аналоги… Всесвіт на кінчику пера.

Чорні діри в земній лабораторії!

Гравітаційні хвилі і їх носії — горезвісні гравітони. Скільки років вчені ганяються за цими безтілесними тінями, намагаючись їх виявити. Гравітаційні хвилі передбачені загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна. По ідеї, вони повинні з’являтися, і в кількостях, доступних для вимірювань, при різких змінах маси тіла або його положення в просторі. Фізики з надією спрямовували свій погляд і свої прилади в безкраї простори космосу. Там, у вирі грандіозних катастроф, коли народжуються і гинуть зірки, коли гігантські вихори речовини пронизують безмежний простір, повинні виникати потужні джерела гравітаційних хвиль. Їх дихання як відгомін подій, що відбулися має рано чи пізно досягти нашої планети.

З нетерпінням чекають вчені не настільки рідкісних, на їх погляд, подій, як, наприклад, зіткнення двох колапсарів. Надщільні утворення, вони носять романтичну назву «чорні діри», так як володіють настільки страшною масою, що не випускають з пут свого тяжіння світлові промені. А при їх зіткненні має виділятися колосальна кількість енергії, не порівнянна ні з чим іншим у Всесвіті. Астрономи припускають, що в центрі Галактики «чорні діри» реально існують і можуть взаємодіяти подібним чином.

Але скептики не впевнені, чи існують справді колапсари. Тому непогано б пошукати джерела гравітаційних хвиль де-небудь ближче, на Землі. Або створити щось на кшталт “чорних дір” в земних лабораторіях і управляти їх роботою.

Співробітникам Державного астрономічного інституту імені П. К. Штернберга, Л. Гришуку і М. Сажину — вдалося це зробити. Зрозуміло, поки що на папері, але, мабуть, і технічно завдання можна вирішити.

За основу своєї установки астрофізики взяли самий звичайний резонатор, випромінювач електромагнітних хвиль. Як ніби нічого нового ця пропозиція не дає. Відомо, що електромагнітне поле резонатора, взаємодіючи з його стінками, змушує їх коливатися і, мабуть, випромінювати гравітаційні хвилі. Питання в іншому – наскільки ці хвилі потужні. Скільки резонаторів знадобиться, щоб зробити їх доступними вимірам?

Л. Гришук і М. Сажин сумлінно справили розрахунок і з подивом переконалися, що тисяча надпровідних резонаторів, з’єднаних послідовно, можуть створити потік гравітонів, зведених у вузьку пляму площею в один квадратний сантиметр. І, якщо в центрі цієї плями з’явиться прилад, з допомогою якого фізики ось вже який рік обнишпорюють похмурий космос в марних пошуках хвиль тяжіння, вони, ймовірно, зможуть, нарешті, «намацати» гравітони. І дати відповідь на питання, стільки років хвилююче науку.

Комариний писк одного резонатора при сприятливих умовах посилюється тисячею подібних установок в мільйон разів. І чутливості електромагнітного детектора гравітонів вже повинно вистачити на ці вимірювання.

Таким чином, шлях вказаний, справа за технічним втіленням ідеї. Правда, загальний обсяг резонаторів виражається круглим числом, досягаючи тисячі кубометрів.

І все це в умовах надхолоду. Так що інженерам доведеться потрудитися. Але, як вони говорять самі, все це в межах розумного. Так що залишається чекати експерименту…

Лазер з плазми

Відкриття лазерів – класична ілюстрація примата теорії в сучасній фізиці. Сам принцип лазерного випромінювання як наслідок теорії Ейнштейна був запропонований вченими. І з тих пір всі різновиди досконалої зброї науки народилися спочатку в лабораторіях теоретиків і лише потім знаходили реальні риси технічних установок.

Після «твердих» лазерів з’явилися газові, іонні, молекулярні — хімічні. Фізики розробили оптичні квантові генератори, де випромінювачем служать органічні барвники.

І кожен раз робота йшла за однією і тією ж стереотипною схемою: оригінальна теорія, точний розрахунок, модель установки.

Тепер на черзі «лазер з плазми». Він поки що не вийшов з «теоретичних пелюшок». Грубо кажучи, всі оптичні квантові генератори працюють на одному принципі. Атоми речовини змушують випромінювати світло особливим чином, це вимушене випромінювання характеризується строго постійною частотою, одним кольоровим вбранням, без будь-яких відтінків. Монохроматичність лазерного випромінювання — головна його особливість і джерело всіх чудових властивостей.

У рубіновому лазері випромінюють атоми хрому, в газових лазерах – електричний розряд, в хімічних – різні хімічні реакції. Плазмовий лазер буде використовувати плазму, що охолоджується.

Плазма — четвертий стан речовини, де всі атоми позбавлені своїх електронних оболонок, де зібрані воєдино електрично заряджені частинки. Природно, що надані самим собі, вони досить швидко з’єднуються, і різнойменні заряди зникають, оскільки «плюс» з «мінусом» в сумі дають нуль.

За задумом фізиків, саме цей процес умиротворення плазми і повинен служити джерелом випромінювання. Холодна плазма самонейтралізується дуже бурхливо. І при особливих умовах це зникнення заряджених частинок, їх переродження в звичайну нейтральну речовину, має супроводжуватися випромінюванням типу лазерного. Правда, виникає питання, що робити далі, коли плазма прийде в нейтральний стан? Адже вона перестане випромінювати. Але теоретики підготували практичну пропозицію. Потужний пучок електронів буде знову і знову переводити плазму в первісний стан, оскільки під дружнім натиском електронів нейтральні атоми розпадаються на заряджені частинки. Плазмовий лазер буде працювати майже безперервно. На черзі — перші експерименти, перші практичні моделі нового лазера.

Космічне «антидинамо»

Масштаби будь-якого космічного процесу грандіозні. Сонячні спалахи, наприклад, воістину вражають уяву спостерігача. Але вчених це явище не стільки вражає, скільки дивує. Справді, звідки з’являється енергія, яку Сонце за лічені хвилини випромінює в простір? Багато вважають, що ця енергія магнітного походження і з’являється за рахунок знищення одного з великих магнітних полів, якими рясніють внутрішні шари світила.

Але як за такий короткий час (спалах триває близько десяти хвилин) зібрати воєдино магнітну енергію, розсіяну на площі в десятки тисяч квадратних кілометрів? Настільки ж швидко, на думку фізиків, має «повертатися» магнітне поле сонячного вітру і магнітосфери Землі і безлічі інших полів космосу. Саме так, за лічені хвилини, йдуть різні процеси переорієнтації магнетизму, коли, наприклад, під час «бурі» магнітосфера «роздягається» — цілком науковий термін, що означає різке зменшення, а то й повне зникнення її магнітних властивостей.

Оскільки всі ці процеси відбуваються в плазмі, з якої і складаються зірки і всякого роду «хвости» комет, причому магнітне поле міцно пов’язано з плазмою, «вморожено» в неї, вчені стали пропонувати різні складні механізми, що пояснюють таку легковажну поведінку магнетизму при незмінній стабільності самої плазми. Думали, що існують протилежно спрямовані магнітні поля, яким при зближенні належить знищуватися, припускали і тимчасову нестійкість самої «праматері»-плазми, і її вихрові руху.

Але скринька може відкриватися набагато простіше. Так, принаймні, думає фізик-теоретик С. Вайнштейн. Він розрахував, що станеться з плазмою, яка рухається досить швидко. Кінетична енергія руху повинна бути більше магнітної енергії — така умова. Це і вдалося з’ясувати, поки — «на кінчику пера». І виявилося, що в цьому випадку може спрацьовувати механізм, названий дослідником «антидинамо» — знищення. Протягом лічених хвилин магнітне поле, що тягнеться на тисячі кілометрів, припинить своє існування або змінить напрямок. Саме це і відбувається на Сонці і в магнітосфері Землі.

Поки що всі розрахунки показують – теорія прекрасно сходиться з практикою. За вісім хвилин енергія магнітного поля Сонця перейде у спалах, настільки ж швидко буде перебудовуватися магнітосфера Землі, обтічна швидким сонячним вітром. Дивно лише одне — якщо антидинамо зустрічається настільки часто, то незрозуміло, що ж підтримує плазмові магнітні поля, які, виявляється, так легко знищити! А адже вони існують. І мало не щогодини відбуваються сонячні спалахи! Так що крім «антидинамо» в плазмі, очевидно, діє і «динамо» — генератор магнетизму.

Звичайно, імітувати сонячний спалах на землі неможливо. Але ж плазма — родоначальник термоядерного синтезу, про який мріють енергетики, плазма — робоча речовина магнітогідродинамічних генераторів — знаменитих МГД, які повинні зробити переворот у техніці. Так що для прикладної науки, може бути, дуже важливі стануть механізми яскравих сонячних спалахів, і експеримент не змусить себе чекати!

Пробка для магнітної пляшки

Як відомо, шлях до створення найдосконалішого джерела енергії – генератора термоядерного синтезу, досить тернистий.

Плазма — середовище, де можуть відбуватися реакції з’єднання атомних ядер — вкрай примхливе. Довгий час фізики не могли створити посудину, здатну утримати її скільки-небудь тривалий час. Нарешті, фізики сконструювали оригінальну установку, де роль стінок грає магнітне поле. І плазма, потрапивши в магнітні тенета, застряє там на деякий час. Але все одно життя плазми і в цих умовах воістину ефемерне. Тому головне зараз – боротьба за час. Чим довше живе плазма, тим вище можна підняти її температуру, тим ближче заповітна мета — синтез ядер.

Зараз академік Г. Будкер запропонував ще одну модифікацію магнітної пастки. Він назвав її гофрованою, оскільки уздовж шляху плазми магнітне поле то посилюється, то послаблюється, створюючи безліч вузьких пробок.

По ідеї, термоядерний джин, потрапивши в нову магнітну «пляшку», повинен прожити набагато довше, ніж в будь-якому іншому приміщенні, що надається йому в сучасних лабораторіях.

Перевірив цю теорію сам академік Г. Будкер, який явив в одній особі і теоретика і експериментатора. Його камера з тринадцятьма пробками зробила свою справу. Замість звичайних півтора мікросекунд час життя плазми склав шість мікросекунд – в чотири рази більше!

Отже, вірна теорія, створена установка, яка напевно займе чільне місце на шляху до повного технічного освоєння термоядерного синтезу.

Автор: Борис Смагін.