Искусственное Солнце - Глеб Анфилов

Таковы были итоги первой серьезной проверки идей о промышленном синтезе ядер вне термоядерных процессов.

Однако мечтатели не сдавались.

Ну и что же, говорили они, если мю-мезоны не годятся для создания «холодного солнца», будем надеяться со временем осуществить его на каких-то других частицах, живущих значительно дольше. Тот факт, что наука не знает таких частиц, не слишком смущал мечтателей. Их ободряло отсутствие в современной физике законченной теории элементарных частиц. Из-за этого сегодня никто не в состоянии доказать, что такие долгоживущие частицы не могут быть когда-то открыты и созданы. А поскольку принцип ядерного катализа утвержден, не запрещено думать и о новых катализаторах.

Однако глубокий анализ процесса заставил прийти к выводу, что примерно в десяти случаях из ста гипотетическая долгоживущая частица-катализатор, связывающая ядра изотопов водорода, не сможет оторваться от синтезированного ею ядра гелия. Прилипнув к ядру, частица «лишится работы», так и не окупив затрат на свое изготовление. Долгий срок ее жизни окажется попросту паразитическим.

Этот вывод, правда, еще предстоит проверить на опыте, но едва ли стоит сомневаться в его правильности. Очевидно, мечте о холодном синтезе не суждено стать реальностью.

Что ж, унывать причин нет.

Ведь итоги открытия немалые. Оправдалось предсказание теории. На вооружение экспериментальной физики поставлено новое явление. Всестороннюю проверку прошла еще одна смелая идея.

Особенно важно то, что ученые убедились в правильности избранного направления в проблеме промышленного синтеза легких атомных-ядер. Управляемый термоядерный процесс — вот основная цель, и, несмотря на колоссальные трудности ее достижения, дорога к ней самая прямая.

Надо сказать, что даже после падения идеи о холодном солнце остались еще энтузиасты, верящие в ее чудесное воскрешение. Однако вряд ли их надежда сбудется. Как ни фантазируй, а слово ученых остается последним, не подлежащим обжалованию приговором.

Да и стоит ли жалеть об этом? В нашем мире каждый день открываются двери для яркой, увлекательной, богатой мечты. Людям науки это известно больше, чем кому бы то ни было. Недаром правдивая научная гипотеза иной раз поразительнее, изобретательнее самой неуемной «свободной» фантазии.

В заключение книги мы и расскажем об одной из таких удивительных научных идей, открывающей перед человеком в далеком будущем перспективу еще более фантастическую, чем искусственное солнце — и «горячее» и «холодное».

2. ВЕЩЕСТВА-АНТИПОДЫ

ПЛЮС- МИНУС

Две крупнейшие победы одержала теоретическая физика в первой четверти нашего века. Вы уже знаете, что первая из них — создание теории относительности, раскрывшей своеобразные закономерности быстрых движений, а вторая—разработка квантовой механики, учения о таинствах микрочастиц и микропроцессов.

Некоторое время новые разделы физического знания существовали разобщенно, независимо друг от друга. Но сама жизнь требовала их объединения. Это было необходимо хотя бы потому, что мельчайшие частицы часто движутся с колоссальными скоростями и обмениваются большими порциями энергии. Стало быть, законы Эйнштейна играют в их жизни немалую роль. Развитие физики микромира неизбежно вело к слиянию квантовой механики с теорией относительности.

В конце 20-х годов за эту нелегкую задачу взялся молодой английский теоретик Поль Дирак. И он добился успеха: сумел сформулировать уравнение, связавшее квантовомеханические и релятивистские — налагаемые теорией относительности — условия движения частиц. Так было положено начало новейшей области физического знания — релятивистской квантовой теории.

Уравнение Дирака—коротенькая строчка мудреных математических символов — таило в себе замечательные откровения. И как надежный конь вывозит к жилью заблудившегося в лесу путника, так цепь математических выкладок привела Дирака к неожиданным выводам о физической картине нашего мира. Чтобы хотя бы упрощенно уяснить логику этих выводов, придется начать издалека, не избежав нескольких простеньких формул.

Все рассуждения, которые нам предстоит провести, покоятся на необычном математическом соотношении, которое теория относительности выводит для энергии — самой важной характеристики движения частиц.

Мы приводили уже последнюю формулу в главе «Свет и мир», рассказывая о гигантских запасах энергии, скрытой в веществе.

Но мы тогда не отметили важной особенности эйнштейновского соотношения — того, что энергия в нем выражена не существенно положительной величиной, как в классической механике, а, как ни странно, квадратным корнем. И это совсем не мелочь.

Вы, несомненно, помните из школьных уроков алгебры, что любой квадратный корень имеет перед собой два знака: плюс и минус (так, как и два положительных и два отрицательных сомножителя дают положительное произведение).

Первый знак перед корнем — плюс — понятен. Всякое тело — будь то электрон, или атом, или планета, или звезда — обладает энергией, большей нуля. Это логично и естественно, это мы знаем из собственного опыта, из повседневной практики.

А второй знак— минус? Откуда он взялся?

Тут положение сложное.

ЗАПРЕЩЕННЫЙ ПЕРЕХОД

Отрицательная энергия для физических тел, казалось бы, невозможна. Наделенная ею частица вела бы себя крайне нелепо: она обладала бы отрицательной массой. Ведь квадрат скорости—всегда положительная величина.

Эта необыкновенная частица с отрицательной массой являла бы собой немыслимый рекорд упрямства. После толчка вперед она двигалась бы... назад! Знаменитый ньютоновский закон о пропорциональности силы и ускорения приобрел бы для нее обратный смысл.

Выстрел из лука стрелой, наделенной отрицательной энергией, был бы равносилен самоубийству: стрела вонзилась бы в стрелка.

Впрочем, реальность тел с отрицательной энергией вызывает сомнение не только потому, что трудно постичь парадоксы их поведения. Недоумение усугубляется здесь еще более важными соображениями.

Вот летит электрон. Замедлим его полет — энергия движения снизится. Остановим частицу — энергия движения исчезнет, но останется запас энергии, связанный с массой покоя. По Эйнштейну, этот запас, как вы помните, равен тос2 ,что для электрона составляет значительную величину — 508 тысяч электроновольт.

Можно ли дальше уменьшать энергию электрона? Можно, но очень незначительно. Поместив неподвижную частицу в сильное электрическое поле положительного заряда, мы заставим электрон отдать малую долю энергии на связь с полем. Масса электрона и запас в нем энергии станут чуть-чуть меньше. Но на этом наши возможности как будто исчерпываются. Ни классическая физика, ни теория относительности не позволяют довести энергию электрона до «настоящего» эйнштейновского нуля и тем более до значений еще меньших, чем нуль. Никаких способов перехода в парадоксальную область отрицательных энергий они не знают,

Значит ли это, что подобный переход вообще невозможен?

ЭНЕРГИЯ, КОТОРАЯ ״СКАЧЕТ“

Дирак твердо верил в правильность теории относительности. Он не допускал и тени недоверия к математическому аппарату, который привел к таким парадоксальным заключениям. Почему же тогда и :классика и та же теория относительности категорически запретили переход через нуль энергии? Почему они закрыли этот путь непроходимой стеной? Ведь из наложенного запрета следовало, что отрицательные энергии хоть и мыслимы теоретически, но на практике недостижимы.

И ученый доказал, что подобный вывод ошибочен: представление о непроходимости запретной зоны составилось без учета квантовомеханических особенностей микропроцессов.

Как вы помните, квантовая механика — мастерица преодолевать непреодолимое. И, войдя составной частью в теорию Дирака, она сделала возможным то, что без нее выглядело недопустимым.

Чтобы лучше пояснить это, привлечем на помощь несложный чертеж и — да простит нам терпеливый читатель! — поведем разговор в чуть-чуть более серьезном тоне.

В чем сущность «непреодолимости» этой «стены»? В том, что классическая и релятивистская теории требуют ее непрерывного прохождения. Вся стена должна быть преодолена точка за точкой насквозь, без всяких скачков, ибо специфика этих теорий приписывает природным процессам строгую непрерывность, нетерпимость к скачкообразным переменам состояния объектов. Именно поэтому классическая частица, пытающаяся проникнуть через запретную полосу к отрицательным энергиям, обязана сначала остановиться, а затем уменьшать свою энергию с помощью каких-то неправдоподобно могучих силовых полей. Но столь сильных полей в природе нет. Следовательно, у классических тел нет возможности непрерывно снижать свою энергию даже до нуля, не говоря уже о дальнейшем переходе в отрицательную область.