Зоряний тиск

Ми колекціонуємо прогнози. Передбачення вчених. Погляди в майбутнє. Важко чітко розмежувати прогнози і гіпотези. З тими і іншими справа обстоїть так: десь кінчається область точних знань про природу елементарних частинок, про види енергії, про будову галактик і починається країна невідомого, в яку проникають розвідники — гіпотези і прогнози. Дозвольте запропонувати вам подорож у майбутнє на одній досить вузькій ділянці наукового фронту. Ділянка називається: фізика і хімія високих тисків.

Змагання з власною планетою

Найменший тиск, який вдається створити в найкращих вакуумних лабораторних приладах, дорівнює приблизно тому, який існує в 800 кілометрах над поверхнею Землі. «Вище» лабораторна техніка поки ще не залізла.

А на дні однієї з найглибших океанічних западин, Маріанської в Тихому океані, тиск дорівнює 1100 атмосферам — величина, давно досягнута інженерами. Тепер заглибимося в земну кору, минаємо підстилаючі її шари мантії, проникнемо до ядра Земної кулі: нас зустрінуть тут тиски в 1 400 000 і навіть в 3 500 000 атмосфер.

Великих тисків на нашій планеті немає. Щоб продовжити шкалу, нам доведеться відправитися в далекий космос.

В центрі Сонця і схожих на нього зірок тиск дорівнює мільярду атмосфер, в центрі білих карликів — ста трильйонам. Можливо, що в центрах нещодавно відкритих наднових зірок тиск ще в мільйони разів більше. Але немає підстав стверджувати, що ця величина — верхня межа шкали тисків у Всесвіті.

Шкали природних тисків ми почали з нижньої межі, одержуваної в лабораторіях. Від неї до легко досягнених тисків в сотні і тисячі атмосфер стан речовини вивчений в безлічі самих різноманітних експериментів.

Не так важко виявилося судити про стан речовини і при тисках в мільярди атмосфер. В природі такі тиски зазвичай пов’язані з величезними температурами в десятки і сотні мільйонів градусів. Речовина при надвисоких тисках і температурах стає порівняно простою — не залишається не тільки складних хімічних сполук, але і прості молекули, начебто молекул газів, розколюються, а потім навіть атоми роздавлюються, дробляться на складові частини. Виникає досить однорідний та ізотропний, тобто володіючий у всіх напрямках однаковими властивостями, світ спресованих елементарних частинок, стан якого можна описати прийомами теоретичної фізики. Хімії, мінералогії, технології матеріалів в цьому світі робити нічого.

Але про поведінку речовини в широкому діапазоні тисків — від кількох десятків тисяч до мільярдів атмосфер — ми до самого останнього часу практично нічого не знали: про неї не можна було судити на підставі експериментів, і нічого не можна було сказати, спираючись на теоретичні розрахунки. Втім, особливої потреби вивчати такі стани теж не було.

Загадка білої смуги

Але зараз становище змінилося. Багато практичних питань та важливих досліджень не можуть бути вирішені і проведені без знань про поведінку речовини саме в цій загадковій смузі. При проектуванні двигунів ракет, атомних реакторів, надпотужних турбін треба чітко уявляти, як будуть вести себе різні матеріали, піддані сильного стиску і при дуже високих температурах.

До речі кажучи, багато природних мінералів колись утворилися саме при надвисоких тисках. Якщо ми зуміємо відтворити такі умови в лабораторних і, тим більше, в заводських установках, то, можливо, народиться нова галузь техніки: промисловість дорогоцінних каменів і рідкісних мінералів. Перший, вже реальний приклад такого роду — синтез алмазів. Почнеться, ймовірно, і випуск таких матеріалів, які не були передбачені природою. Проте тут ми вже вступаємо в область гіпотез і далеких прогнозів.

Структура земної кулі — ми лише починаємо перевіряти її хвилями вибухів — може бути повністю виявлена тільки тоді, коли ми дізнаємося, як веде себе речовина під тиском в сотні тисяч і мільйони атмосфер. Але проникнути до земного ядра важче, ніж потрапити на поверхню Марса чи Венери. Ось чому так важливо для геофізиків побувати в лабораторії надвисоких тисків і випробувати поведінку мінералів при стисненні з силою в мільйон і більше атмосфер.

Повільне настання статиків

Наступ почали творці тривалих, так званих статичних, тисків. Преси, якими вони користуються, стають все більш могутніми і громіздкими. Головна перешкода на шляху статиків — текучість, пластичність будь-якого матеріалу при дуже високих тисках: навіть міцна сталь не може «утримати» ста тисяч атмосфер. Довелося перейти до багатоступеневим систем, створюючи зовнішній тиск, який хоча б частково компенсує те, що розпирає сталеву посудину зсередини.

На допомогу приходить вибух

Цікаву ідею висунув близько десяти років тому академік Я, Б. Зельдович: якщо так важко отримати статичні надвисокі тиски, то чи не можна створювати їх хоча б на короткий час — на мільйонні частки секунди? В цьому випадку стануть не потрібні товстостінні сталеві посудини: миттєві тиски в мільйони атмосфер не розірвуть навіть паперового мішка.

Шлях, запропонований Я. Б. Зельдовичем, був випробуваний групою фізиків. Протягом кількох років їм вдалося, ставлячи один рекорд за іншим, створити і виміряти тиски до 10 мільйонів атмосфер, перекривши тим самим значну частину «білої смуги». Ось один із способів отримання надвисоких тисків. У міцній камері запалюється заряд сильної вибухової речовини. На шляху розширення продуктів вибуху, як снаряд в дулі знаряддя, поміщається сталева пластинка-ударник. Тиском газу на невеликому шляху їй повідомляється швидкість від 6 до 14 кілометрів в секунду.

Нагадаємо, що швидкості штучних супутників Землі дорівнюють 8-11 кілометрів в секунду. Значить, платівка-ударник, якщо б дати їй вільно вилетіти в простір, могла б подолати тяжіння Землі і помчати до далеких планет.

Але не це цікавило фізиків. Пролетівши всього кілька сантиметрів, платівка з величезною силою б’є у випробуваний зразок. При їх зіткненні розвиваються жахливі тиски, які потім хвилеподібно поширюються в тілі зразка. У фронті цій хвилі можна вести всі цікаві фізикам вимірювання. Мабуть, цим методом вдасться досягти тисків в 10 і навіть 15 мільйонів атмосфер і густин, що в 3-3,5 рази перевищують нормальні. В даний час для деяких речовин ця межа майже досягнута.

Отже, рекорд тисків на Землі тепер належить не самій Землі, в центрі якої, як вже говорилося, речовину стиснуто «всього» в 3,5 мільйони атмосфер, а фізикам, в лабораторіях яких вже отримані набагато більші тиски. Що ж нового ми дізналися завдяки цьому?

Метаморфози речовини

«Всі речовини розріджувані» — це звучить приблизно так само, як твердження «всі люди смертні», — в ньому немає нічого несподіваного, воно здається самоочевидним. Але зовсім інша справа сказати: можна стиснути мідь або алюміній, воду або силікати в два і три рази. Це ще нещодавно здавалося немислимим.

Але ось вода, щільність якої зазвичай приймається за еталон, була піддана тиску в 600 тисяч атмосфер. І виявилося, що питома вага її при цьому зростає в два з половиною рази! Для металів знадобилися тиску побільше. Щоб ущільнити вдвічі марганець, потрібен мільйон атмосфер, а для міді навіть дев’ять мільйонів. Але речовини не просто стискаються в мільйоно атмосферних лещатах подібно гумі — у них відбувається перебудова кристалічних решіток, атоми упаковуються щільніше.

Іноді ця нова упаковка зберігається і після зняття тиску. Так був створений з звичайного кварцу новий мінерал, названий по імені своїх відкривачів (Стішова, Попової, Верещагіна) стиповеритом. Процес переходу графіту в алмаз, вимагає в статичних установках багатогодинної витримки, при надвисоких, «вибухових» тисках завершується за десятимільйоні частки секунди.

Але саме чудове перетворення відбувається з електричними властивостями речовин. Вже при декількох сотнях тисяч атмосфер (як тепер кажуть фізики про це!) напівпровідники стають металами і діелектрики (ізолятори) — напівпровідниками, а при мільйонах атмосфер вже майже всі речовини набувають металеву електропровідність. Це означає, що нижні шари мантії і ядра Землі, незалежно від того, з яких мінералів вони складаються, повинні чудово проводити електричний струм. Чи не тут розгадка природи земного магнетизму?

Автор: М. Карєв.