Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Так была выяснена еще одна интересная деталь во взаимодействии магнитного поля и сверхпроводимости, — той самой сверхпроводимости, которую пристально изучает физика и с которой связаны большие надежды техники.
Проблемам физики твердого тела на сессии было посвящено еще несколько докладов. В одном из них подводились итоги интересным работам, выполненным физиками Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.
Наряду с добыванием энергии и информации основой материального прогресса является и преобразование вещества. Сюда прежде всего относятся химические преобразования — создание новых молекул из стандартного набора атомов, изменение архитектуры молекул, изменение молекулярного состава вещества.
Так мы получаем нейлон из нефти или спирты из газов. Но химия— это далеко не последняя ступень на иерархической лестнице сотворения вещества. Начало века ознаменовалось тем, что физики научились переделывать атомное ядро, превращая, например, азот в углерод или уран в плутоний. Работа, о которой шла речь, была посвящена преобразованию вещества путем изменения электронной структуры его атомов.
Свойства любого атома, как известно, определяются не только числом электронов на орбитах, но и их энергией. Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее он связан с ядром, тем ниже, как принято говорить, энергетический уровень этого электрона.
Энергетический спектр электронов — это, если можно так сказать, набор энергетических уровней всех электронов атома: изменить этот спектр — значит переконструировать электронные оболочки атомов вещества, изменить его свойства.
Основной метод, применявшийся в этих исследованиях, — комплексное воздействие на вещество. Не просто сверхнизкие температуры, не просто сверхсильные магнитные поля или сверхвысокие давления, а различные комбинации этих факторов. При этом удалось обнаружить немало интересных фактов.
Так, например, при давлении 30 МПа была открыта сверхпроводимость фосфора. Были выяснены причины загадочного исчезновения примеси при создании некоторых сплавов. Оказалось, что в веществе могут возникать тончайшие пластинки нерастворенной примеси.
А вот и вывод: электронный спектр вещества можно радикально менять и при этом, с одной стороны, можно создавать вещества с новыми свойствами, а с другой стороны, — и это особенно важно — исследовать общие закономерности формирования электронного спектра. Очевидно, отметил докладчик профессор Н. Б. Брандт, настало время изменить мнение о незыблемых свойствах вещества, в частности об абсолютном характере таких понятий, как «металл» и «полупроводник».
Физика твердого тела — это область фундаментальных исследований, с успехов которой начинается современная полупроводниковая электроника. Вот уже несколько десятилетий ведутся в этой области глубокие исследования, неизменно привлекающие внимание техники. Это относится и к исследованию экситонов — еще недавно не более чем гипотетических объектов физики твердого тела. Именно им были посвящены два следующих доклада.
Экситон (от слова «экситейшн» — «возбуждение») — это особое возбужденное состояние атомов кристалла, возникающее, например, под действием светового излучения. Экситоны — их принято рассматривать как некие подвижные частицы — были предсказаны в 1931 г. известным советским теоретиком Я. И. Френкелем и примерно 20 лет спустя экспериментально обнаружены в полупроводниках группой ленинградских физиков.
Представление об экситонах позволяет понять многие тонкие механизмы взаимодействия света с полупроводником. В первом из докладов рассматривались механизмы, связанные с исчезновением экситона при превращении его в световой импульс (например, в экситоновых лазерах). Второй доклад был посвящен поведению экситонов в сильном магнитном поле. Удалось получить уникальную информацию о строении полупроводников и изучить новый тип экситонов, возникающих в сильном поле. Экситонная тематика все больше интересует не только физиков, но и инженеров. И вполне вероятно, что слово «экситон», которым сегодня пользуется сравнительно узкий круг специалистов, станет таким же общеизвестным, как «атом» или «электрон». А рядом с электроникой появится самостоятельная область техники — экситоника.
Все сделанные на сессии доклады можно условно разделить на две группы — «Вещество» и «Космос». И сейчас нам предстоит перейти границу между этими группами: с первым докладом космической тематики на сессии выступил доктор физико-математических наук Николай Семенович Кардашев, ныне член-корреспондент АН СССР.
В марте 1968 г. в печати появилось сенсационное сообщение об открытии на звездном небе четырех источников радиоизлучения, от которых на Землю регулярно поступали импульсные сигналы, причем импульсы следовали друг за другом с поразительной точностью. Этим объектам дали название «пульсары».
Само открытие пульсаров очень напоминало события из известного фантастического романа «Андромеда». В этом совместном произведении английского астрофизика профессора Ф. Хойла и писателя Д. Эллиота рассказано о том, как радиоастрономы приняли из космоса странные сигналы, а затем, в секретном порядке продолжая исследования, установили контакт с представителями внеземной цивилизации.
Английские радиоастрономы Мюллардской обсерватории Кембриджского университета летом 1967 г. закончили строительство радиотелескопа, на котором предполагалось изучать быстрые изменения интенсивности излучения радиоисточников, обусловленные рассеянием радиоволн на облачках плазмы. Такие облачка выбрасываются из Солнца и движутся в межпланетном пространстве с большой скоростью. Радиоволны, приходящие от далеких источников, преломляются в облачках плазмы, и уровень радиоизлучения, принимаемого на Земле, из-за этого слегка колеблется. Для регистрации таких колебаний новый радиотелескоп был снабжен специальной аппаратурой, которая позволяла записывать очень быстрые изменения сигнала.
Систематические наблюдения неба с такой аппаратурой ранее не проводились, и в этом, между прочим, нет ничего странного. Для того чтобы регистрировать быстро меняющиеся радиосигналы, нужно принести в жертву такое качество радиоприемного устройства, как чувствительность. Известные космические радиоисточники дают достаточно постоянное по интенсивности излучение, и поэтому не имело смысла ухудшать чувствительность радиотелескопа в надежде на прием коротких радиоимпульсов. Появление их, по-видимому, просто не считалось вероятным.
И вот с такой аппаратурой 6 августа 1967 г. молодая аспирантка Жакелин Белл при наблюдении созвездия Лисички зарегистрировала очень странный сигнал — на ленте скоростного самописца оказались периодически повторяющиеся импульсы. Вскоре были найдены еще три аналогичных пульсирующих источника радиоизлучения.
Первоначально открытие не было принято всерьез. Дело в том, что радиоастрономы довольно часто обнаруживают импульсные сигналы на своих лентах. Их дают попадающие в радиотелескоп излучения радиолокационных станций, телевизионных передатчиков, систем связи со спутниками и другие помехи (разумеется, с точки зрения радиоастрономов), создаваемые земной цивилизацией. Однако, к удивлению сотрудников Мюллардской обсерватории, систематическое наблюдение обнаруженных четырех объектов не привело к отождествлению их с каким-либо видом земных помех. Были отвергнуты и такие объекты, как спутники, — координаты открытых источников излучения не менялись ни в течение суток, ни изо дня в день. А это говорило о том, что источники излучения находятся далеко от Земли.
Открытие настолько поразило ученых, что было решено сохранить полученные данные в тайне до выяснения природы этих новых объектов. Почти полгода никто (даже сотрудники ближайшей радиообсерватории Джодрел Бэнк) не знал, что в Кембридже начаты исследования нового типа объектов. Первое сообщение о них появилось лишь после того, как астрономы поняли, что принимаемые сигналы не связаны с внеземными цивилизациями, и поэтому их изучение «вряд ли окажется вредным для человечества».
Уже предварительные измерения и расчеты показали, что пульсары — сравнительно близкие объекты, они находятся в пределах нашей Галактики. У астрономов, правда, существует свое собственное мнение о том, что такое «далеко» и что такое «близко». «Диаметр» нашей Галактики около 100 тыс. св. лет. Это, конечно, гигантская величина даже по сравнению с огромным расстоянием от Земли до Солнца, которое составляет 8 св. мин (не говоря уже о тоже неблизком расстоянии Земля — Луна, которое чуть больше световой секунды). Но в то же время радиотелескопы принимают сигналы из звездных миров, удаленных от нашей Галактики на расстояние 10 млрд. световых лет. Естественно, что по сравнению с такими расстояниями пульсары находятся совсем недалеко от Земли; почти что рядом.
