Айзек Азимов - Загадки мироздания
Необходимо всего лишь поднять температуру некоторого объема водорода до точки, при которой начнется слияние, а дальше процесс станет поддерживаться самостоятельно. Причем желательно обойтись при этом без атомной бомбы. Решить эту задачу было бы легче, если бы можно было заставить атомы водорода вступать в слияние при как можно более низкой температуре.
Этого можно добиться, если использовать водород достаточно редкого вида. Я уже упоминал о том, что в атоме водорода содержится частица, именуемая протоном. Однако примерно в одном атоме водорода из 7 тысяч содержится, помимо протона, еще одна частица, получившая название «нейтрон». Атом водорода, чье ядро содержит и протон, и нейтрон, имеет массу в два раза больше обычного атома, за что его и назвали «тяжелым водородом», или «дейтерием» (от греческого «второй», поскольку он содержит еще и «вторую», «дополнительную» частицу).
Дейтерий открыл в 1932 году американский химик Гарольд Юри. Разница в массе в два раза позволяет сравнительно легко выделить этот элемент из общей водородной массы, но в течение десяти лет его продолжали считать не более чем академически любопытным отклонением от нормы. И только во время Второй мировой войны выяснилось, что вода, в состав которой входит дейтерий (так называемая «тяжелая вода»), может представлять собой важный элемент ядерного реактора.
Но мало того — уже после войны выяснилось, что слияние дейтерия происходит гораздо легче, чем слияние обычного водорода. Поэтому при всех попытках овладеть реакцией слияния водорода стал использоваться только дейтерий.
Но даже в этом случае речь все еще идет о температуре в миллионы градусов, при которой атомы дейтерия распадаются на смесь элементарных частиц, именуемую «плазмой». Температура плазмы слишком высока, чтобы можно было давать ей соприкасаться со стенками камеры, из какого бы материала она ни была сделана. Но, пользуясь тем, что плазма электрически заряжена, ученые сумели удержать ее на месте не стенками, а электромагнитными полями.
Проблема сложная, но с каждым годом нам удается поднимать температуру дейтерия все выше и удерживать ее все дольше. Не за горами тот день, когда человек полностью овладеет слиянием водорода.
А тогда, может быть, еще до конца XX века по всей Земле появятся принципиально новые электростанции. Питаться они будут от небольших камер с жидким дейтерием, которые повсеместно придут на смену вагонеткам с углем и танкерам с нефтью. И именно водород, в той или иной форме, сможет не только пронести человека к звездам, но и помочь ему преодолеть бедность и несчастье на самой Земле.
Глава 11
ДА БУДЕТ НОВЫЙ СВЕТ!
В 1960 году американский физик Теодор Гарольд Мейман подверг брусок искусственного рубина облучению ярким светом. Оказалось, что поглощаемый материалом свет снова испускается наружу, но в измененном виде. Теперь весь свет представлял собой тонкий луч насыщенного красного цвета, исходящий из торца бруска.
Такого света еще никто никогда не видел. Более того, такого света раньше никогда не существовало ни на Земле, ни где-либо еще во всей Вселенной — насколько нам известно. Искусственный рубин Меймана стал первым в мире лазером — устройством, в котором мы сегодня видим как луч смерти, так и волшебный инструмент для хирургии, фотографии, коммуникаций, изучения космоса и еще с полдесятка областей.
Что же такого уникального в этом лазерном луче? С виду — просто цветной луч, каких и раньше люди видели предостаточно. Значит, есть в нем что-то, невооруженным глазом неразличимое? Чтобы понять, что именно, надо сначала вкратце рассказать о природе обычного света.
Представим себе свет как поток волн. Резонно было бы задаться в таком случае вопросом: «волн в чем?», и этот вопрос поставил бы нас в тупик, но сейчас мы в такие тонкости углубляться не будем. Просто представим себе некие волны, и все.
Не стоит думать, что представить свет в виде волн — значит нарисовать волнистую линию вдоль всей протяженности луча света. Свет от далеких звезд попадает к нам через триллионы километров, так что «вся протяженность» окажется в таком случае немалой. Вместо этого, представим себе волны разбитыми на маленькие отрезки, по несколько колебаний на каждом. В дальнейшем мы будем называть эти отрезки «фотонами», от греческого слова, означающего «свет».
Фотоны очень малы. Сорокаваттная лампочка, свет от которой, как мы все сами видели, слаб и тускл, испускает около квинтиллиона (1 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду.
Между собой фотоны не всегда одинаковы. Самое важное отличие одних фотонов от других в том, что одни несут больше энергии, чем другие. В подробности того, «что такое энергия», мы сейчас углубляться тоже не будем, ограничившись утверждением о том, что фотон с более высоким энергетическим содержанием может делать нечто, чего фотон с более низким делать не может.
К примеру, красный свет состоит из фотонов, энергия которых в два раза меньше, чем энергия фотонов фиолетовых. Попадая на обычную фотопленку, фотоны красного света, не имея на то достаточно энергии, не производят никаких химических изменений в покрывающем пленку составе. Если же на пленку попадают более энергетически насыщенные фотоны фиолетового света, то химикаты состава распадаются и пленка затуманивается.
Именно поэтому в фотолабораториях, где проявляют и печатают фотографии, используется освещение красным светом. Ведь такой свет безвреден для пленки.
В солнечном свете содержатся фотоны с самым разнообразным энергетическим содержанием. В нем присутствуют все фотоны, способные воздействовать на сетчатку наших глаз, которую можно рассматривать как живую и очень сложную фотопластинку, а кроме того — фотоны недоступного нашим глазам инфракрасного света, несущие меньше энергии, чем любой видимый свет, и также невидимого ультрафиолетового света, несущие больше энергии, чем фотоны любого цвета, доступного глазу. В целом же все формы света, как видимого, так и невидимого, можно рассматривать также как электромагнитное излучение.
Фотоны ультрафиолетового света несут так много энергии, что могут повредить сетчатку, именно поэтому опасно долго смотреть прямо на солнце. Энергии, содержащейся в фотонах ультрафиолетового света, хватает даже для того, чтобы приводить к химическим изменениям в нашей коже, благодаря чему кожа обретает загар.
Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения, несущие энергии еще больше, чем ультрафиолет, могут пробивать путь прямо сквозь тело человека. Если при этом они повреждают определенные молекулы, то производимые при этом химические реакции приводят к тяжелым, часто смертельным последствиям для здоровья. Именно поэтому людям, работающим с радиоактивными веществами, и сотрудникам атомных электростанций приходится соблюдать столько предосторожностей, чтобы не подвергнуться облучению.
Раз мы представили фотоны короткими отрезками волн, то пора объяснить, чем же фотоны с высоким содержанием энергии отличаются от фотонов с низким. Обратим внимание на длину каждого отдельного колебания. Представим себе отрезок волны длиной в один дюйм и нарисуем столь плавный ее изгиб, что на всю длину получится только одно колебание. А рядом нарисуем другой отрезок, тоже длиной в один дюйм, но теперь на этом дюйме будет умещаться десять колебаний.
Количество колебаний на участке волны определенной длины является для этой волны важной характеристикой — частотой. Частота волны, в которой на дюйм приходится десять колебаний, — в десять раз выше, чем волны, где одно колебание занимает целый дюйм длины.
Чем больше энергетическое содержание фотона, тем выше частота соответствующего света. В фотоне красного света на сантиметр волны приходится около 14 000 колебаний, фиолетового — вдвое больше, около 28 000. Разница в частоте световых волн видимой части спектра и обеспечивает нам ощущение разных цветов.
Теперь давайте разберемся, откуда же берутся эти фотоны? Для этого нам придется рассмотреть строение самой материи, из которой состоит Вселенная.
Материя состоит из крошечных частиц, которые называют атомами. Атомы, как и более мелкие частицы, входящие в их состав, как и более крупные частицы, в состав которых входят сами атомы, содержат энергию. Чаще всего энергия проявляет себя движением — частицы, обладающие большей энергией, движутся или вибрируют быстрее.
Частицы материи не просто «могут обладать энергией» — они могут обладать лишь определенными ее объемами. Частицы каждого конкретного вида могут обладать энергией в типичном для них объеме, и ни в каком другом. Поэтому можно говорить о том, что каждая частица имеет некий характерный для нее энергетический уровень. Частица может иметь тот или иной, более низкий или более высокий, энергетический уровень, но ни в коем случае не некий промежуточный.
