Физика будущего

Позже было установлено, что пузырьки ярко светились потому, что схлопывание происходило равномерно, и воздух внутри пузырьков, быстро сжимаясь, нагревался до необычайно высоких температур. Горячему синтезу, как мы уже видели, очень мешает недостаточно хорошая синхронизация и фокусировка лазерных лучей на мишени или неравномерное сжатие газа. А при схлопывании пузырька молекулы движутся так быстро, что давление воздуха внутри пузырька быстро выравнивается вдоль его стенки. В принципе, если схлопывание происходит в таких идеальных условиях, нельзя ли получить внутри пузырька достаточные условия для ядерного синтеза?

В экспериментах по сонолюминесценции ученым удалось получить температуры в десятки тысяч градусов. Если использовать инертные газы, можно существенно увеличить яркость света, излучаемого из пузырьков. Однако пока непонятно, может ли в этих условиях быть достигнута температура, достаточно высокая для ядерного синтеза. Масла в огонь подлила статья Рузи Талейархана (Rusi Taleyarkhan), работавшего прежде в Национальной лаборатории Окридж, который заявил в 2002 г., что получил реакцию ядерного синтеза на своей ультразвуковой установке. Он утверждал, что зарегистрировал в ходе эксперимента нейтроны — верный признак ядерного синтеза. Однако за несколько лет другим исследователям не удалось повторить его работу, поэтому результат Талейархана на данный момент считается недостоверным.

Еще одна темная лошадка — установка Фило Фарнсуорта (Philo Farnsworth), непризнанного соизобретателя телевидения. Еще ребенком Фарнсуорт придумал телевизор, наблюдая, как фермер распахивает свое поле, ряд за рядом, из стороны в сторону. В возрасте 14 лет он даже зарисовал детали своего изобретения — и он же первым воплотил идею в полностью электронное устройство, способное выводить на экран движущееся изображение. К несчастью, Фарнсуорту не довелось насладиться плодами своего эпохального изобретения, все его претензии потонули в бесконечных путаных патентных тяжбах с корпорацией RCA. Юридические баталии буквально свели изобретателя с ума, и кончилось тем, что он добровольно лег на лечение в психиатрическую больницу. Его новаторские работы в области телевидения в значительной степени остались незамеченными.

Много позже Фарнсуорт переключил свое внимание на фьюзор — небольшое настольное устройство, способное генерировать нейтроны путем ядерного синтеза. Прибор состоит из двух больших сфер из проволочной сетки, одна из которых располагается внутри другой. Внешняя сфера заряжена положительно, внутренняя — отрицательно, так что вводимые внутрь протоны отталкиваются от внешней сетки и притягиваются к внутренней. Затем протоны бомбардируют богатую водородом мишень в центре сфер, порождая реакцию синтеза и выброс нейтронов.

Конструкция фьюзора настолько проста, что даже старшекласснику под силу сделать то, чего не смогли добиться Рихтер, Понс и Флейшманн: получить поток нейтронов в результате ядерного синтеза. Однако маловероятно, что при помощи такого устройства можно будет когда-нибудь получать энергию. Число ускоряемых в нем протонов чрезвычайно мало, так что и полученная энергия будет минимальной.

Вообще говоря, реакцию ядерного синтеза можно получить на небольшой установке с использованием стандартного ускорителя атомов или частиц. Ускоритель атомов — более сложное устройство, чем фьюзор, но с его помощью тоже можно разгонять протоны и направлять их в богатую водородом мишень, вызывая реакцию синтеза. Но опять же число протонов при этом совсем невелико, и практического выхода энергии добиться невозможно. Вывод прост: при помощи фьюзора или атомного ускорителя можно провести реакцию ядерного синтеза, но эти устройства слишком неэффективны, чтобы служить источниками дешевой энергии.

Но вспомним: ставки в игре невероятно высоки. Несомненно, у каждого предприимчивого ученого или инженера будет шанс превратить собранное в подвале на коленке устройство в очередное мегаизобретение.

Далекое будущее (2070–2100 гг.)

Эра магнетизма

Предыдущее столетие можно по праву назвать веком электричества. Электронами несложно манипулировать, поэтому именно электричество в первую очередь стало почвой для создания новых технологий. Век электричества привел к появлению радио, телевидения, компьютеров, лазеров, магнитно-резонансной томографии и т. п. В наступившем веке ученым еще предстоит найти свою новую святыню, но она непременно появится: речь идет о сверхпроводимости при комнатной температуре. Это открытие ознаменует начало совершенно новой эры, эры магнетизма.

Представьте себе магнитный автомобиль, парящий над дорогой и преодолевающий за час несколько сотен километров, причем почти не расходуя топлива. Представьте поезда на магнитной подушке и даже людей, путешествующих по воздуху, парящих на магнитной «подвеске».

Мы часто забываем, что большая часть бензина в автомобиле идет на преодоление силы трения. В принципе, от Сан-Франциско до Нью-Йорка можно было бы доехать, почти не затрачивая энергии. В реальности вам придется заплатить за бензин не одну сотню долларов, потому что автомобиль должен преодолевать трение колес относительно дорожного покрытия и сопротивление воздуха. Если бы всю дорогу можно было покрыть ровным слоем льда и скользить по нему, путешествие обошлось бы вам гораздо дешевле. Точно так же космические зонды могут улететь за Плутон, израсходовав по дороге всего несколько десятков литров топлива, потому что лететь им приходится сквозь космический вакуум. Магнитный автомобиль будет висеть над землей на магнитной подвеске; стоит дунуть — и он начнет двигаться.

Ключ ко всем этим технологиям — сверхпроводники. Еще в 1911 г. стало известно, что ртуть при охлаждении до четырех градусов по шкале Кельвина (т. е. до четырех градусов выше абсолютного нуля) полностью теряет электрическое сопротивление. Это означает, что на сверхпроводящих проводниках вообще не теряется энергия. (В нормальных условиях электроны при движении по проводнику теряют энергию, сталкиваясь с атомами. Но при температурах, близких к абсолютному нулю, атомы почти неподвижны, так что электроны проскальзывают между ними без всяких потерь энергии.)

Сверхпроводники обладают странными и чудесными свойствами, но имеют один серьезный недостаток: их надо постоянно охлаждать почти до абсолютного нуля жидким водородом, а это очень дорогое удовольствие.

Поэтому физики испытали настоящий шок, когда в 1986 г. было объявлено об открытии нового класса полупроводников, не нуждающихся в охлаждении до таких безумно низких температур. В отличие от уже известных сверхпроводящих веществ, таких как ртуть или свинец, новые сверхпроводники были керамическими (а керамика никогда не считалась серьезным кандидатом в сверхпроводники!) и обретали свойство сверхпроводимости уже при температуре 92 кельвина (-181 С). Прежде считалось, что сверхпроводимость при такой температуре теоретически невозможна [30] .

30

В начале 1986 г. Георг Беднорц и Карл Мюллер нашли сверхпроводящую керамику с температурой перехода 35 К — на 12 К выше, чем у лучшего из известных до этого соединений. В 1987 г. две группы американских исследователей сумели сделать еще более мощный рывок — до отметки 92 К. — Прим. пер.

На текущий момент мировой рекорд для керамических сверхпроводников составляет 138 К. Это очень важно, так как жидкий азот (который стоит не дороже молока) образуется при 77 К и, следовательно, с его помощью можно эту керамику поддерживать в сверхпроводящем состоянии. Одного этого факта оказалось достаточно, чтобы резко снизить стоимость сверхпроводников. Так что высокотемпературная сверхпроводимость — очень практичное открытие.

Однако, по правде говоря, керамические сверхпроводники лишь раздразнили аппетиты физиков. Ведь пока сделан гигантский, но недостаточный шаг в правильном направлении. Во-первых, несмотря на дешевизну жидкого азота, использовать его без какого-либо холодильного оборудования вряд ли возможно. Во-вторых, из керамики трудно делать провода. В-третьих, физики до сих пор не до конца понимают природу этой керамики и не могут с уверенностью сказать, почему в ней возникает сверхпроводимость. Квантовые уравнения керамических сверхпроводников слишком сложны, и решить их в настоящее время не представляется возможным, поэтому никто не знает наверняка, как они работают. Физики в недоумении. Ученого, который сможет объяснить теоретически природу высокотемпературной сверхпроводимости, ждет Нобелевская премия.

С другой стороны, каждый физик прекрасно понимает, какое громадное значение имела бы сверхпроводимость при комнатной температуре. Открытие такого явления стало бы толчком к новой промышленной революции. Ведь для сверхпроводников при комнатной температуре не нужно никакое холодильное оборудование, так что они стали бы источником постоянного магнитного поля невероятной мощности.

Если по медной проволочной рамке течет ток, его энергия рассеивается за долю секунды из-за сопротивления проволоки. Однако эксперименты показали, что электричество в сверхпроводящей рамке может течь без подпитки энергией долгие годы. Экспериментальные данные свидетельствуют, что время жизни тока в сверхпроводящем кольце может достигать 100 000 лет. Некоторые теории даже утверждают, что максимальное время жизни электрического тока в сверхпроводнике ограничивается лишь временем жизни известной нам Вселенной.