Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления
Важнейшие научные проблемы ближайшего будущего. Помимо открытия новых явлений природы, которые мы не можем предвидеть, главные усилия ученых всегда будут направлены на более глубокое изучение уже открытых явлений природы, на решение методических и прикладных задач. Чтобы найти те направления научных работ, которые в ближайшем будущем станут ведущими, надо определить области естествознания, которые теснее всего связаны с наиболее актуальными запросами жизни.
Всем хорошо известны наиболее важные и интересные проблемы, которые сейчас стоят перед наукой, и я на них не буду останавливаться детально. Первая из таких проблем — это завоевание космического пространства. Для осуществления этой цели сделано основное — человек вырвался из гравитационного поля Земли; главная задача будущего в том, что нам предстоит использовать ядерную энергетику как двигательную силу космических кораблей. Какие практические результаты даст решение этой проблемы? Увеличится возможность заселения других планет. Это, конечно, задача весьма далекого будущего, нам пока не тесно и здесь, на Земле. Но красота и увлекательность проникновения в новые, неизведанные области и заключается в том, что человек не может предвидеть того, что он там для себя найдет. Весь накопленный исторический опыт неизменно показывает, что проникновение в новые области всегда открывает и новые возможности поднятия человеческой культуры. Несомненно, так будет и здесь.
Можно отметить, что и сейчас уже существуют практические возможности использования космических ракет: это — удаление радиоактивных отходов и шлаков, остающихся от атомных реакторов. Не раз уже указывалось, что в ближайшем будущем начнет скапливаться такое большое количество радиоактивных отходов от атомных энергетических установок, что их хранение станет затруднительным и опасным, и многие считают, что это будет главным препятствием на пути крупного развития атомной техники. Если отправлять эти радиоактивные шлаки в космическое пространство на ракетах, это будет вполне безопасно для человечества и, по-видимому, не повлечет за собой больших расходов. Избавление от радиоактивных отходов таким способом может явиться решением этого вопроса.
Одна из постоянных важнейших проблем настоящего и будущего — это получение дешевой электроэнергии.
Важнейшее возможное решение этой проблемы — управляемая термоядерная реакция. Это самая важная проблема современной физики, она даст людям неиссякаемый источник энергии; ее решение зависит от создания плазмы при достаточно высокой температуре. Путь решения этой проблемы ученые пока ищут.
Более близка нам проблема эффективного использования тепла от сгорания топлива. Известно, что для превращения энергии сгорания угля в электрическую теперь создают цепочки процессов: сперва химическую энергию превращают в топке в тепло, потом в котлах превращают тепло в пар, далее в паровых машинах — в механическую энергию и, наконец, в генераторах — в электроэнергию. Но так удается использовать только 30—35% химической энергии угля, и это при больших капиталовложениях в машины. Чтобы сделать этот процесс более эффективным в будущем, намечается создание нового направления, я имею в виду так называемые магнитогидродинамические генераторы. Идея этих генераторов была предложена в начале века. Она заключается в том, что если быстротекущую струю хорошо проводящей плазмы пропускать через магнитное поле, то возникает поперечная электродвижущая сила. За счет этой силы можно получать ток и таким образом превращать кинетическую энергию струи в электроэнергию. За последнее время благодаря развитию реактивной авиации и ракетной техники процесс получения мощных струи высокотемпературного газа хорошо освоен; поэтому осуществление старой идеи магнитогидродинамического генератора стало реальным, и над этим сейчас серьезно работают крупные институты и у нас и в США. Можно предвидеть, что этот генератор будет эффективно работать, когда будет давать большие мощности, порядка нескольких сот мегаватт; при этом вся установка будет очень малогабаритна.
Но все же наиболее привлекательным должно быть осуществление прямого перехода химической энергии в электроэнергию. В обычных гальванических элементах и в аккумуляторах это уже давно осуществлено, и, как известно, тут возможен почти полный переход химической энергии в электроэнергию, и теоретически к.п.д. может быть близким к единице. Основная задача, которая стоит перед учеными, — это создать такой гальванический элемент, где бы непосредственно получалась электроэнергия от реакции окисления угля. Осуществление таких газовых элементов, работающих при повышенных температурах и давлении, оказалось возможным, и тут за последние десятилетия имеются заметные успехи, хотя задача еще не доведена до практического решения. К сожалению, сомнительно, что вообще удастся осуществить подобные установки для больших мощностей, поскольку это связано с принципиальными трудностями. Дело в том, что химическое окисление газовых элементов приходится осуществлять на поверхности электродов, а не в объеме электролита, а при этих условиях для больших мощностей потребуется очень развитая поверхность, что осуществимо только в больших масштабах. Поэтому этот принцип генерирования электроэнергии будет иметь значение только при энергетике малых форм.
Никогда не следует забывать об одной проблеме энергетики: о прямом превращении химической энергии в механическую. Тут люди отстали от природы. Мускульный двигатель все еще самый распространенный. Если взять количество механической энергии, производимой мускулами всех животных, то пока она еще в несколько раз больше, чем энергия от всех тепловых двигателей, созданных людьми. Кроме того, мускульный двигатель, как показывает опыт, является весьма эффективно работающим, с большим коэффициентом полезного действия, чем моторы, турбины и другие тепловые двигатели. Но самое удивительное, и в этом нужно сознаться, — это то, что до сих пор учеными не понята сущность мускульного процесса. Есть много гипотез, но пока ученым не удастся воспроизвести искусственно процесс сокращения мускульного волокна, до тех пор нельзя считать этот процесс понятым.
Несомненно, работа по изучению механизма мускульного сокращения будет одной из центральных проблем научных исследований будущего. В этой работе будут участвовать физики, химики и биологи. Какова вероятность ее завершения в ближайшие годы? Задачу можно будет считать решенной, если нам удастся воспроизвести обратимое сокращение синтетического волокна под влиянием изменения свойств окружающей среды, то есть смоделировать мускульные процессы. Сейчас непрерывно увеличивается число типов звеньев цепочек, образующих волокна синтезируемых полимеров. Все глубже начинают понимать характер и свойства молекулярных связей в полимерах, и все это дает надежду, что секрет мускульного сокращения будет раскрыт на искусственном волокне. Во всяком случае, это одна из важнейших задач ближайшего будущего, решив которую, люди, возможно, получат в руки эффективный механический двигатель. Естественно ожидать, что такой двигатель будет портативен и будет пригоден только для получения небольших мощностей.
Попутно отметим, что в волокнах полимеров скрыто еще много секретов, знать которые очень полезно людям. Например, хорошо известно, что по нервным волокнам, которые мы рассматриваем как диэлектрики, может свободно распространяться электрический импульс — сигнал. Мы знаем, что это, несомненно, имеет место в нервных волокнах, но механизм этого интересного явления пока еще совсем не понят, и воспроизводить его мы не умеем. Когда и эта задача будет решена, то мы сможем делать сигнализационные схемы, счетчики и другие элементы кибернетических машин без металлических проводов. Понять это явление — тоже одна из больших проблем будущего.
Научно-методические проблемы будущего.
Имеется ряд важнейших научных и научно-технических проблем, которые мы сейчас не можем решить из-за ограниченных методических возможностей, которыми мы располагаем. Эти методические возможности могут быть ограничены либо комплексностью самого явления, которое приводит к неразрешимой по своей сложности математической задаче, либо ограничены той измерительной методикой, которой мы располагаем; она может быть недостаточно чувствительна и недостаточно точна, или вообще изучаемое явление может не поддаваться измерениям.
Поэтому успех решения ряда проблем определяется расширением наших методических возможностей. В основном успех тут определяется изобретением новых методов наблюдения, изобретением измерительной аппаратуры, работающей на новых принципах, и, наконец, изобретением методов теоретических и математических обобщений научного опыта.
