Юрий Чирков - Охота за кварками
Этот дебют нейтрино в технике обнадеживает. А в будущем ученые надеются, что нейтрино будут использованы для связи. Тут очень пригодится их способность к всепрониканию. Необходимо лишь создать компактные и очень чувствительные нейтринные передатчики и приемники. А передачи можно будет вести без всяких там кабелей, волноводов, а непосредственно сквозь земной шар!
Дерзкое стремление физиков прорваться в Неразгаданное очень напоминает экспедиции X. Колумба. Клянча дублоны и пиастры у испанского короля, банкиров и андалузских купцов, X. Колумб совершенно не подозревал, что готовит ему судьба. Опираясь на неверные расчеты ученых-географов, он искал кратчайший путь в Индию. Искал Индию — нашел Америку!.. И физики, пытаясь разгадать законы микромира на кварк-лептонном уровне, также могут совершенно неожиданно открыть новую эпоху в Технике и Технологии.
Инженеры торопят физиков, и те охотно идут им навстречу. Еще совсем недавно ускорители были привилегией физиков-экспериментаторов, а теперь ряд промышленных ускорителей (естественно, малогабаритных) справил новоселье на многих крупных машиностроительных предприятиях. К примеру, на Ижорском заводе в Ленинграде линейный ускоритель электронов выступает в роли дефектоскопа, контролирующего качество оборудования для будущих атомных электростанций. Новой, «ядерной» техникой интересуются также судостроители, гидроэнергетики и другие специалисты.
История появления у нас в стране промышленных ускорителей такова. Дело начал академик Г. Будкер (1918–1977). В 1958 году он организовал в Сибирском отделении АН СССР Институт ядерной физики (ИЯФ).
И тут же стал упорно искать немедленных приложений, использования всею того, что знал и умел молодой институт, к сегодняшним насущным проблемам народного хозяйства. Так и возникли установки по виду довольно скромные (электронные ускорители с мощностью от нескольких киловатт до мегаватта и энергией электронов от сотен киловольт до нескольким МэВ), не поражающие воображение ни своими размерами, ни энергией частиц.
Что дают эти устройства?
Различные виды излучений. И спрос на эту необычную продукцию во всех промышленно развитых странах очень велик и растет — на 15 процентов в год! А общая мощность излучения, потребляемого сегодня в мире в технологических целях, уже превышает десятки МВт.
Так подтверждается тезис К. Маркса о том, что «всякое открытие становится основой нового изобретения или нового усовершенствования методов производства».
Стоит сразу же подчеркнуть, что физики (головным в этих вопросах является ИЯФ, его директор академик А. Скринский, ученик и сподвижник Г. Будкера, большой энтузиаст промышленных ускорителей) не разрабатывают те или иные конкретные технологические процессы. Они дают мощные и удобные источники излучений. А как их использовать конкретно — забота прикладников, у которых с физиками давно сложились плодотворные связи. Из Москвы, Минска, Одессы и многих других городов Союза едут в Новосибирск люди, чтобы получить консультацию или наладить полезный контакт.
Профессии промышленных ускорителей разнообразны.
Одно из главных достоинств радиационной технологии в том, что она позволяет придавать традиционным материалам качественно новые свойства. Так, в потоке разогнанных электронов резина претерпевает удивительные метаморфозы: становится гораздо прочней. Ускорители помогают улучшать свойства древесины, всевозможных пластмасс, оболочек электрических кабелей, проводов (в электротехнической промышленности на базе сибирских разработок уже создано 14 технологических линий, а экономический эффект от радиационной обработки кабельных изделий превысил 100 миллионов рублей).
Ускорители позволили разработать новую технологию производства цемента. Поток ускоренных электронов как бы подстегивает физико-химические реакции во всем объеме облучаемого материала. И на образование цементного клинкера теперь уходит всего 10 секунд. Процесс идет в сотни раз быстрее! А главное — отпадает нужда в громадных вращающихся печах, должны исчезнуть и вредные выбросы в атмосферу.
Промышленные ускорители можно с успехом использовать для сварки, резки и плавки. С их помощью можно обеззараживать сточные воды крупных животноводческих комплексов. Обрабатывать клубни картофеля, чтобы замедлить прорастание при его длительном хранении. Радиация может уничтожать амбарных вредителей, зарящихся на запасы пищевого зерна.
Долго пришлось бы перечислять все те области, где радиация уже работает или намеревается поработать.
А на подходе уже новое поколение промышленных ускорителей, поколение, предлагающее еще более эффективное средство — синхротронное излучение электронных накопителей. Тут будет генерироваться на много порядков более мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Вот как характеризует его А. Скринский:
«С помощью синхротронного излучения биологам впервые удалось увидеть, как изменяется структура живой мышцы в процессе сокращения. Химикам оно помогает исследовать механизм каталитических реакций. Физики уже убедились, что смогут теперь детально изучить причины структурных искажений в металле, процессы горения и динамику превращений в полимерах. В электронной промышленности это излучение позволяет перейти к производству интегральных микросхем с субмикронными размерами рабочих элементов. Отсюда — возможность разместить на том же участке кристалла в сотни раз больше элементов, соответственно выиграв в производительности и эффективности электронных устройств…»
X. Колумб искал Индию с ее несметными сокровищами: бриллиантами, алмазами, золотом. Позднее потомки X. Колумба — конкистадоры — искали в Америке Эльдорадо — страну сказочного богатства и чудес. Сооружая все новые ускорители, познавая новые тайны микромира, физики надеются найти свое эльдорадо — энергетическое.
Заем под большие проценты
Глубоко неправы те, кто считает, что исследования элементарных частиц якобы подчиняются «закону убывающего плодородия». В одном из обзоров Л. Окунь обсуждает необходимость всемерных поисков новых стабильных тяжелых частиц. И добавляет: «Открытие «месторождения» отрицательно заряженных тяжелых частиц могло бы иметь не только научный интерес. Оно могло бы совершить переворот в энергетике… Если бы удалось найти хотя бы несколько килограммов Х-частиц, то это могло бы решить нее энергетические проблемы человечества».
Да, энергетическая проблема после борьбы за мир самая для человечества важная. И решить ее могут только физики. И кто знает, может, со временем слова «кварковая энергетика» станут такими же привычными, как сейчас слова «энергетика атомная»!
Детали, подробности того, как может быть по-новому решена энергетическая проблема, пока неясны. Точно так же можно стоять перед закрытым сейфом и, зная, что там спрятаны большие деньги, не знать той комбинации цифр, которая ведет к богатству.
Это будущее. А сейчас перед физикой стоит вполне конкретная задача обуздать термоядерный синтез.
Проблема эта уже давно разрешена природой. Солнечный реактор работает уже около десяти миллиардов лет. На Солнце плазму в узде держат силы тяготения.
Чем их заменить в земных условиях?
В 1950–1951 годах в СССР и одновременно в США была высказана ставшая ныне широко известной мысль — использовать для удержания плазмы магнитное поле. Эта идея была быстро реализована. Казалось, термояд вскоре удастся запрячь в энергетическую упряжь.
Не тут-то было! Академик Л. Арцимович, создатель «Токамаков», проложивших путь бурному прогрессу в этой области, недаром любил повторять такую присказку:
«Термоядерная энергия — это одноколесный велосипед: все знают теоретически, что на нем можно ездить, но на практике все падают».
Вот уже три десятка лет сражаются с термоядом физики всей планеты. Уж сколько раз энтузиазм сменялся унынием. Сейчас работа идет по многим направлениям: к делу привлекаются и лазеры, и электронные, и ионные пучки частиц. Но все эти подходы к термоядерному синтезу можно сравнить с лобовой атакой. А нет ли обходных путей?
Есть! Это катализ реакций ядерного синтеза с помощью мю-мезонов.
Дело вот в чем. Отрицательно заряженные мюоны могут замещать в атомах электрон, образуя мезоатомы.
Мезоны в две сотни раз тяжелее электронов, поэтому мюонные «орбиты» расположены очень близко к ядру.
Особенно интересны свойства мезоатомов водорода и его изотопов дейтерия и трития. Тут заряд ядра полностью «экранируется» зарядом мезона. Получается нечто электрически нейтральное, подобное нейтрону. Как следствие, мезоатом водорода «свободно» проникает через электронные оболочки атомов, может подходить на близкие расстояния к ядрам, может стать катализатором ядерных реакций.
