Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 27)

Тот же процесс происходит в обратном порядке при синтезе ядер. Когда два легких ядра сталкиваются под действием давления внутри звезды, синтез происходит только в том случае, если ядра переходят потенциальный барьер снаружи. Количество энергии, которым обладает при этом каждое из ядер, зависит от температуры в центре звезды, и в 1920-х годах астрофизики были озадачены тем, что рассчитанная температура в центре Солнца немного ниже, чем она должна быть - ядра в центре Солнца не обладают достаточной энергией, чтобы перейти потенциальный барьер и произвести синтез в соответствии с классической механикой. Разгадка этого кроется в том, что некоторые ядра пробиваются через барьер, обладая несколько меньшей энергией, что согласуется с принципами квантовой механики. Среди прочего квантовая теория объясняет, почему Солнце светится, в то время как классическая теория утверждает, что оно на это не способно.

высвобождается примерно 200 МэВ энергии, и каждый запускает еще несколько распадов, при условии, что количество урана достаточно велико, чтобы нейтроны не вылетели из него разом. Процесс идет по экспоненте и представляет собой принцип действия атомной бомбы. Управляя им при помощи материала, который поглощает нейтроны, чтобы процесс шел медленно, мы можем построить контролируемый ядерный реактор, который используется для нагрева воды, выработки пара и производства электричества. И снова энергия, которую мы извлекаем, является энергией звездного взрыва, давным-давно произошедшего очень далеко от нас.

Однако в процессе синтеза мы можем скопировать выработку энергии звездой, как происходит и в случае с Солнцем. Пока мы смогли воссоздать только первую ступень на лестнице синтеза, переход от водорода к гелию, и не смогли контролировать реакцию, позволив ей идти своим чередом только в водородной, или термоядерной, бомбе. Суть синтеза противоположна сути деления. Вместо того чтобы склонять к распаду большие ядра, необходимо подтолкнуть к слиянию маленькие ядра, преодолевая при этом естественное электростатическое отторжение их положительных зарядов, пока они не окажутся так близко друг к другу, что сильное ядерное взаимодействие, действующее только на крайне малых расстояниях, не сможет превзойти электрическую силу и притянуть их друг к другу. Как только появляются несколько ядер, которые можно синтезировать таким образом, получаемое в процессе тепло запускает направленный наружу поток энергии, стремящийся разделить все остальные ядра в момент синтеза и полностью останавливающий весь процесс39. Надежда на получение в будущем бесконечного количества энергии из ядерного синтеза покоится на необходимости найти способ в течение достаточного времени удержать вместе достаточное количество ядер, чтобы они испустили приемлемое количество энергии. Также важно обнаружить такой процесс, в ходе которого высвобождается больше энергии, чем использовалось для столкновения ядер. Это довольно просто сделать внутри бомбы: по сути, нужно просто окружить ядра, которые необходимо подвергнуть синтезу, ураном, а затем запустить ядерный взрыв. Обращенное внутрь давление от взрыва столкнет друг с другом достаточное количество ядер водорода, чтобы запустить второй, более масштабный термоядерный взрыв. Но для гражданских электростанций нужно что-то более тонкое, и сейчас изучаются методы, которые включают в себя использование сильных магнитных полей, сформированных таким образом, чтобы они действовали подобно бутылке, удерживающей внутри заряженные ядра, и световых импульсов лазерных пучков, которые физически сталкивают ядра. Лазеры, конечно, производятся в соответствии с очередным рецептом из квантовой кулинарной книги.

Лазеры и мазеры

Хотя для разработки рецептов создания новых частиц в квантовой кулинарии требовался искусный шеф-повар вроде Дирака, понимание ядерных процессов менее полно, чем модель атома Бора. Поэтому, возможно, не стоит удивляться, узнав, что и самой модели Бора до сих пор находится некоторое применение. Одну из самых экзотических и восхитительных разработок современной науки - лазеры - поймет любой компетентный квантовый повар, умеющий готовить на скорую руку и слышавший о модели Бора: для

Один способ получить энергию из синтеза - это соединить изотоп водорода, содержащий один протон и один нейтрон (дейтерий), с изотопом водорода, содержащим один протон и два нейтрона (тритий). В результате получается ядро гелия (два протона, два нейтрона), свободный нейтрон и 17,6 МэВ энергии. В звездах процесс сложнее: он подразумевает реакции водорода с ядрами атомов вроде углерода, которые в небольших количествах присутствуют внутри звезды. Конечным результатом таких реакций является синтез четырех протонов в ядро гелия с двумя электронами и испускание 26,7 МэВ энергии, углерод при этом остается для запуска следующего цикла реакций. Но именно процессы с участием трития и дейтерия изучались в лабораториях на Земле.

объяснения лазеров не нужен великий гений. (В этом случае гений нужен для разработки технологии их конструирования, но это другая история.) Поэтому, извинившись перед Гейзенбергом, Борном, Йорданом, Дираком и Шрёдингером, давайте на некоторое время забудем о квантовых тонкостях и вернемся к аккуратной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра. Как мы помним, в этой модели, когда атом получает квант энергии, электрон перескакивает на другую орбиту, а когда такой возбужденный атом оставляется в покое, рано или поздно электрон падает обратно на основной уровень, испуская ровно тот же квант излучения с определенной длиной волны. Этот процесс называется спонтанным излучением и является противоположным поглощению.

Когда Эйнштейн в 1916 году исследовал такие процессы и выводил статистическое обоснование квантовой теории, которую он впоследствии счел столь неприятной, он понял, что есть и другая возможность. Возбужденный атом можно заставить испустить лишнюю энергию и вернуться на основной уровень, если его подтолкнуть, так сказать, пролетающим мимо фотоном. Этот процесс называется вынужденным излучением и совершается только в том случае, если пролетающий фотон обладает ровно той же длиной волны, что и тот, который готов испустить атом. Подобно каскаду нейтронов, которые задействованы в цепной реакции ядерного деления, мы можем представить массив возбужденных атомов и всего один фотон с правильной длиной волны, который стимулирует один атом к излучению, после чего оригинальный фотон вместе с новым стимулируют к излучению еще два атома, четыре фотона стимулируют еще четыре атома и так далее. В результате получается каскад излучения, частота которого в точности совпадает. Более того, учитывая способ, которым запускается излучение, все волны точно синхронны друг другу: они вместе поднимаются «вверх», на гребень волны, и опускаются «вниз», в провал волны, создавая очень чистый пучок когерентного излучения. Так как ни один из гребней и провалов такого излучения не уничтожает другой, вся энергия, выпущенная атомами, остается в пучке и может передаваться на маленькую область вещества, куда направлен этот пучок.

Когда группа атомов или молекул возбуждается теплом, они заполняют диапазон энергетических уровней и, брошенные на произвол судьбы, излучают энергию с разными длинами волн беспорядочным и некогерентным образом. В таком процессе эффективной энергии гораздо меньше, чем энергии, которую испустили атомы и молекулы. Однако существуют способы выборочного заполнения узкой полосы энергетических уровней, с тем чтобы затем вызвать возврат возбужденных атомов на этой полосе на основной уровень. Катализатором для этого каскада является слабое внешнее излучение правильной частоты. На выходе получается гораздо более сильный пучок, имеющий ту же частоту. Эти методы были впервые разработаны в конце 1940-х годов независимо командами в США и СССР с использованием радиочастотного излучения с длиной волны от 1 до 30 сантиметров, которое называется микроволновым излучением. В 1954 году первооткрыватели получили за свою работу Нобелевскую премию. Поскольку излучение на этом участке называется микроволновым излучением, а также из-за того, что процесс включает в себя усиление радиоволн индуцированным излучением в соответствии с идеями Эйнштейна 1917 года, первооткрыватели использовали акроним МАЗЕР (от microwawe amplification by stimulated emission of radiation - «усиление микроволн с помощью индуцированного излучения»).

Потребовалось еще десять лет, чтобы найти способ, при котором этот трюк работал бы для оптических частот излучения, но в 1957 году почти одновременно эта идея пришла в голову двум людям. Одним из них (судя по всему, первым) был студент Колумбийского университета Гордон Гулд, а вторым - один из пионеров мазера Чарлз Таунс, который получил часть Нобелевской премии 1964 года. Спор о том, кто именно что и когда открыл, лег в основу судебной баталии за патент, так как лазеры, оптический эквивалент мазеров (от light amplification... т. e. «усиление света.»), теперь стали очень прибыльным изобретением. Впрочем, нас, к счастью, не слишком волнуют юридические тяжбы. Сегодня существует несколько типов лазера, и самым простым из них является твердотельный лазер с оптической накачкой.