Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Однако как же может быть, чтобы четыре одинаково заряженных протона одновременно преодолели силы кулоновского отталкивания и сблизились настолько, чтобы в игру могли вступить уже ядерные силы? Вероятность такого стечения обстоятельств столь мизерна, что ее не стоит и пытаться рассматривать. Роль могут играть только столкновения двух частиц.

2. Ганс Бете: источники энергии звезд

Именно такой процесс впервые рассмотрел Вайцзеккер[32] в 1938 г.: столкновение двух протонов, при котором образуется дейтерий (или тяжелый водород, ядро которого, дейтон, содержит протон и нейтрон), позитрон и нейтрино (реакцию записывают как р + р → d + e++ v), между которыми и распределяется энергия, соответствующая формуле Эйнштейна. Дальше он пробовал рассмотреть столкновение двух дейтонов, но вероятности таких двухступенчатых процессов оказались слишком малы.

В 1938 г. на конференции по теоретической физике в Вашингтоне эта проблема заинтересовала Ганса Бете (1906–2005). Быстро освоившись с астрономическими данными и применив свои энциклопедические знания в области ядерной физики, он решил всю задачу за шесть недель. Согласно Бете, после образования дейтерия при столкновении протонов возникший позитрон аннигилирует с электроном (они имеются в плазме), дейтон сталкивается еще с одним протоном и переходит в изотоп гелий-3 (радиоактивный, но с достаточно большим временем жизни); а столкновение двух ядер гелия-3 ведет к образованию уже стабильного ядра гелия-4 с выделением двух лишних протонов. Таким образом, Солнце представляет собой непрерывно действующую водородную бомбу, скрытую под слоем газа толщиной в полмиллиона километров.

В ходе этого исследования Бете рассмотрел такие солнечные характеристики, как температура, плотность, состав, рассчитал ожидаемые скорости реакции и показал, что реакция синтеза по этой цепочке (она называется водородным циклом) идет как раз с такой скоростью, которая обеспечивает наблюдаемое выделение энергии Солнцем.

Его расчеты также показали, что для звезд, более массивных, чем Солнце, в реакции должны участвовать более тяжелые ядра. И Бете рассчитал также другие циклы, заканчивающиеся формированием ядер изотопов углерода и азота.

В 1967 г. Бете был удостоен Нобелевской премии по физике «за вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звезд». Представляя лауреата, Оскар Клейн, известный теоретик и член Шведской королевской академии наук, отметил широту знаний и интересов Бете и сказал, что некоторые из его открытий в области физики, каждое в отдельности, заслуживали самостоятельной Нобелевской премии. Работа Бете над источниками энергии звезд, сказал Клейн, «представляет собой одно из наиболее важных приложений фундаментальной физики в наше время и ведет к углублению наших знаний о Вселенной».

Отметим здесь, что поиски источника энергии звезд и не могли начаться ранее XX в. В XIX в. писали, что источником нагрева могут служить падения метеоритов на Солнце, а Кельвин рассматривал нагрев вследствие гравитационного сжатия газового шара, но получаемые цифры были слишком малы.

После завершения Второй мировой войны почти все крупные ученые, включая Бете и Ферми, вернулись к довоенным исследованиям. Но перед ними маячила возможность создания более страшного оружия — термоядерного. Многие требовали передать право распоряжения ядерным оружием некоему международному органу, другие считали, что СССР, единственный потенциальный соперник Америки, еще долго не сможет овладеть «секретами» атомного оружия.

Но единственным секретом являлось то, что такая бомба реально существует, а он уже был раскрыт. Важнейшими были технологические ноу-хау: методики очистки материалов. Самостоятельно или с частичной помощью агентурных данных, но уже к 1947 г. в СССР был запущен первый реактор, а вскоре был произведен и первый ядерный взрыв.

Более проницательные ученые, первым из них нужно назвать Э. Теллера[33], настаивали перед правительством на продолжении и интенсификации работ по созданию термоядерного оружия. Возражения Р. Оппенгеймера и многих других ни к чему не привели, и работы эти были развернуты, но в СССР они начались уже совершенно независимо примерно в то же время или даже раньше.

3. А. Д. Сахаров: водородная бомба

В рамках общего ядерного проекта СССР, руководителем которого был Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960), теоретические термоядерные исследования вела группа Я. Б. Зельдовича, автора теории детонации и взрыва. В 1948 г. к этой работе привлекли И. Е. Тамма, а он включил в нее своего недавнего аспиранта А. Д. Сахарова[34].

По первоначальному замыслу, нужно было соорудить трубу, заполненную дейтерием, в одном ее конце помещалась бы атомная бомба как детонатор. Взрыв этой бомбы должен был привести к внутризвездным температурам, при которых, как считалось, дейтерий «загорится» по типу реакции Вайцзекера и реакция под действием ударной волны пойдет дальше по трубе.

Точные значения распределения температур, как при взрыве атомной бомбы, так и те, что нужны для начала синтеза при столкновениях дейтонов, были неизвестны. Оценки и расчеты (к ним, в частности, привлекли Л. Д. Ландау и И. М. Халатникова) показывали сомнительность успеха при такой конфигурации ядерного запала. Нужно было думать, и думать упорно[35].

И Сахаров предлагает принципиально новую конструкцию, которую назвали «слойкой»: в центре шара находится запал, атомная бомба, вокруг нее — дейтерий, а оболочка этого шара делается из тяжелого металла, например урана или свинца. Хитрость здесь вот в чем: для реакций синтеза нужны не только высокие температуры, но и высокие давления, а величина давления зависит от количества ударов частиц о стенки сосуда и друг о друга. Но при первоначальном взрыве вещество атомной бомбы и ее оболочек ионизуется, образуется множество разнообразных частиц, и у каждой из них, согласно закону равнораспределения энергии по степеням свободы, одинаковая (приблизительно, так как равновесие не достигнуто) кинетическая энергия, Таким образом, чем более разрушительным будет взрыв запала, тем выше будет давление в первые микросекунды после него.

Это была первая идея, ведущая к цели. Способ сдавливания физики называли (между собой, конечно) «сахаризацией».

Вторая идея, вскоре появившаяся, принадлежит Виталию Лазаревичу Гинзбургу. Уже должно быть ясно, что водородная бомба первого проекта скорее должна была бы называться дейтериевой (или тяжело-водородной), но во всех вариантах заполнять ее газообразным дейтерием или поддерживать сверхнизкие температуры для его сжижения слишком сложно. И вот Гинзбург сообразил, что можно сделать внутреннюю оболочку из такого твердого материала, который сразу же, в мгновение взрыва запала, выдавал бы горючее для термояда (обычное сокращение от «термоядерных реакций»). Для этого он рассмотрел реакцию воздействия нейтронов (их порождает атомная бомба) на изотоп литий-6: его распад на гелий-3 и тритий с выделением энергии. Тритий — это сверхтяжелый изотоп водорода, у него в ядре один протон и два нейтрона, поэтому вероятность его синтеза с дейтоном раз в сто больше, чем при столкновении двух дейтонов. А если в качестве оболочки использовать химическое соединение лития-6 и дейтерия (формула соединения 6LiD, поэтому его назвали «лидочка»), то получается колоссальный выигрыш: все компоненты, нужные для термоядерного взрыва, собраны вместе и притом в твердом виде.

На этом, однако, возможности дальнейшего усиления «слойки» были исчерпаны: для начального взрыва атомного запала вокруг него нужно расположить пороховые заряды, т. е. занять определенный объем, а это не позволяет использовать очень уж много «лидочки» для эффективного термояда — получалось, что энергия взрыва такой бомбы всего раз в десять выше взрыва обычной атомной.

Тут появляется третья идея: атомную «бомбу-зажигалку», надо помещать не внутри, а снаружи, но так, чтобы она приводила к нужному сжатию и нагреву. В отличие от первоначальной трубы, сжатие (точнее, обжатие) и нагрев должны быть всесторонними. Как этого добиться?

Повторим: для равномерного обжатия термоядерного объекта давление должно одновременно включаться со всех сторон, но при взрыве «зажигалки» разлетающиеся частицы, как бы ни ставить отражатели, скорее, достигнут ближней части объекта и вместо взрыва разнесут его в клочья. Значит, нужно предельно уменьшить разницу времен подхода, а этого можно добиться только и только, если сжимать будут не частицы, а… свет! Для этого нужно сделать оболочку в виде эллипсоида вращения (его сечения, эллипсы, научился рисовать юный Максвелл, по эллипсам, согласно законам Кеплера, вращаются планеты вокруг Солнца). Эллипсы обладают таким замечательным свойством, которое, несомненно, знали Сахаров и Зельдович: если в один из двух фокусов поместить светящийся объект, то все лучи, отраженные от стенок, соберутся во втором фокусе, причем все они дойдут до второго фокуса одновременно!