Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Очевидно, что, если найти безопасный способ «приручить» реакцию синтеза и использовать ее на практике, человечество будет обеспечено энергией на многие миллионы лет вперед. И довершает эту картину беззаботного будущего тот факт, что продуктами реакции синтеза водорода–2 являются безопасные и стабильные водород–1, гелий–3 и гелий–4 плюс несколько легко поглощаемых нейтронов.

Единственной загвоздкой на пути к раю является то, что для начала реакции синтеза водород–2 нужно нагреть до 100 000 000 °С. Эта температура намного выше температуры внутри Солнца (15 000 000 °С), но у Солнца есть одно преимущество: водород там находится под очень высоким, недостижимым в земных условиях давлением.

На Земле любой газ, нагретый до такой температуры, просто расширится до ненасыщенного пара и тут же охладится. На Солнце этого не происходит из-за его огромной массы, вызывающей силу притяжения, достаточную для удержания газов даже при 15 000 000 °C.

На Земле столь мощной силы притяжения достичь конечно же невозможно, поэтому для удержания газа нужно использовать какие-то другие методы. Контейнер не подойдет, так как любой газ при контакте со стенками сосуда тут же охладится… или расплавит контейнер. Невозможно одновременно нагревать газ до необходимой для начала синтеза температуры и удерживать его сосудами из твердых веществ.

К счастью, существует и другой метод. С повышением температуры атомы «снимают» свои электроны и газ распадается на заряженные частицы: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра. Вещество, состоящее из электрически заряженных частиц, а не из целых атомов, называется плазмой.

Физика плазмы привлекла интерес ученых в основном из-за возможности управления термоядерным синтезом. Однако сегодня становится ясно, что большая часть Вселенной состоит из плазмы. Плазмой являются, например, звезды. На Земле плазма также встречается: шаровая молния — не что иное, как плазма, на время ставшая стабильной. Плазма присутствует и в искусственных устройствах, например в неоновых лампах.

Состоящей из заряженных частиц плазме с помощью магнитного поля можно придать форму «нематериального» контейнера. Сегодня физики делают попытки создать магнитное поле, способное достаточно долго удерживать плазму в стабильном состоянии, и нагреть ее до необходимой для начала термоядерной реакции температуры. Согласно подсчетам, при использовании газа, плотность которого при нормальной температуре составляет всего лишь 1/100 плотности атмосферы, оказываемое на магнитное поле давление в критической точке в момент начала термоядерной реакции составит 100 атмосфер.

Требования довольно строги, и ученым пока не удалось добиться успехов. За минувшие десятилетия удалось получить температуру 20 000 000 °С и создать магнитное поле, способное выдержать необходимое давление. К сожалению, одновременно поддерживать нужное давление и температуру удается только в течение одной миллионной доли секунды, а для начала первой искусственно управляемой реакции термоядерного синтеза, согласно подсчетам, необходимо поддерживать температуру и давление в течение хотя бы одной десятой доли секунды.

Насколько известно, на пути к достижению не стоит никаких препятствий, нужно лишь время.

Глава 13.

АНТИЧАСТИЦЫ

Космические лучи

Итак, пока в нашем с вами атомном мире живут лишь электроны, протоны и нейтроны, однако даже с помощью лишь этих частиц мне удалось многое вам объяснить. В начале 1930-х годов эти частицы были единственными известными субатомными частицами. С помощью электронов, протонов и нейтронов очень легко было объяснить устройство Вселенной в целом, и ученые надеялись, что больше никаких субатомных частиц не существует. Однако некоторые теоретики предположили существование и других типов частиц, которые и были обнаружены в бомбардирующем Землю излучении из космоса. Об этих излучениях мы сейчас и поговорим.

В начале XX века физики занимались поисками новых видов излучений. Открытие радиоволн, рентгеновских лучей и разнообразных радиоактивных излучений заставило ученых, так сказать» повысить чувствительность к этому феномену[141].

Тем не менее самое знаменательное открытие в данной области было сделано при попытке исключить излучение, а не обнаружить его. Использующийся для обнаружения проникающего излучения электроскоп с золотыми листками (см. гл. 7) работал слишком уж хорошо. В 1900 году несколько ученых, среди которых стоит отметить Вильсона (изобретателя камеры Вильсона), обнаружили, что электроскоп медленно терял свой заряд, даже когда поблизости не было радиоактивных веществ. Наиболее вероятным объяснением этого явления казалось то, что в почве повсеместно присутствуют небольшие количества радиоактивных веществ, порождающие паразитные излучения.

Однако было обнаружено, что, даже если вывезти, электроскоп далеко в море или, еще лучше, закрыть экраном из металла, непроницаемого для известных излучений и не испускающего проникающих излучений, потеря заряда электроскопом хотя и замедлялась, но не останавливалась.

В конце концов в 1911 году австрийский физик Виктор Гесс (1883–1964) сделал решающий шаг: он поднял электроскоп на несколько километров вверх на воздушном шаре. Воздушная прослойка послужила экраном от слабых излучений земной поверхности. К его удивлению, скорость разряда электроскопа не только не понизилась, но и, наоборот, резко возросла. Последующие запуски шаров с электроскопами на борту подтвердили это, и Гесс заявил, что, какова бы ни была природа нового излучения, оно исходило из космоса, а вовсе не с Земли.

Роберт Милликен (измеривший заряд электрона) сыграл ведущую роль во время самых первых исследований этого нового излучения и в 1925 году предложил назвать их космическими лучами, так как они исходили из космоса.

Проникающая способность космических лучей выше, чем рентгеновских, и Милликен выяснил, что они являются формой электромагнитного излучения, длина волны которого короче, а частота — выше, чем даже у гамма-лучей. Физики предположили, что это излучение является потоком частиц. Так как излучение исходило из космоса, появлялся способ выяснить, является ли оно потоком частиц или же электромагнитным излучением. Если космические лучи являются электромагнитным излучением, то они будут падать равномерно на всю поверхность Земли (в том случае, если они приходят со всех сторон) и электромагнитное поле Земли не окажет на них никакого влияния.