Слияние ядер
Все элементы вокруг и внутри нас — это продукты слияния ядер, или ядерного синтеза. Такое слияние питает звезды — и Солнце в том числе, — где и создаются все элементы более тяжелые, чем водород. Мы и вправду созданы из звездной пыли. Если нам удастся заставить мощь звезд работать здесь, на Земле, ядерный синтез может стать ключом к получению — и в неограниченных количествах — чистой энергии.
Слияние ядер — это процесс, в котором легкие атомные ядра соединяются, образуя более тяжелые. Ядра водорода, если на них как следует поднажать, сливаются и возникает гелий — при этом высвобождается энергия, очень большая энергия. Мало-помалу последовательность таких реакций ядерного синтеза создает ядра все более тяжелые. Именно так, начиная почти с нуля, и были созданы все известные нам элементы.
«Я прошу вас не упускать из вида оба пути. Ибо путь к пониманию звезд проходит через атом; а важные сведения об атоме были получены с помощью звезд» Сэр Артур Эддингтон, 1928
Под сильным нажимом
Добиться слияния даже самых легких ядер, ядер водорода, дело до крайности трудное. Для него требуются огромные температуры и давления, поэтому в природе слияние происходит в условиях поистине экстремальных, внутри Солнца и других звезд. Чтобы добиться слияния ядер, необходимо преодолеть силу, которая поддерживает их целостность. Ядра состоят из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Сила этого взаимодействия работает главным образом внутри крошечных ядер и значительно ослабевает вне их. Так как протоны несут положительный заряд, они взаимно отталкиваются, и оторвать их друг от друга немного легче. Однако сильное взаимодействие преодолевает это отталкивание, сохраняя ядра в целости. Поскольку сильное взаимодействие работает на малых и точно определенных расстояниях, его общая сила в маленьких ядрах значительней, чем в больших. В ядрах с большим весом, таких как у урана с его 238 нуклонами, взаимное притяжение нуклонов, которые находятся на разных краях ядра, оказывается более слабым.
С другой стороны, сила электрического отталкивания ощущается и на таких расстояниях, поэтому в больших ядрах она становится фактором более весомым. К тому же отталкивание подпитывается большим числом положительных зарядов. Чистый эффект такого баланса состоит в том, что энергия (на один нуклон), необходимая для сохранения целостности ядер, увеличивается вместе с атомным весом вплоть до элементов никеля и железа, которые очень стабильны, а затем, для ядер побольше, начинает спадать. Поэтому и деление больших ядер оказывается относительно легким — их можно развалить несильным ударом.
Энергетический барьер, который необходимо преодолеть при слиянии, является наименьшим в случае изотопов водорода, содержащих всего один протон. Имеется три типа водорода: «нормальные» атомы, состоящие из одного протона и связанного с ним электрона; дейтерий, или тяжелый водород, содержащий один протон, один электрон и один нейтрон, и тритий — у него два нейтрона, отчего он еще тяжелее. Таким образом, простейшая реакция синтеза требует слияния водорода и дейтерия плюс добавления свободного нейтрона — получится тритий. Она хоть и простейшая, но для ее запуска требуется температура в 800 градусов Кельвина (отчего тритий и встречается довольно редко).
Термоядерные реакторы
На Земле физики пытаются воспроизвести эти экстремальные условия в термоядерных реакторах, что позволило бы получать энергию. Однако до того, как у них появятся практические результаты, пройдет не один десяток лет. Даже самые передовые термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем производят, — и на много порядков больше.
Термоядерная энергия — заветная цель энергетики. В сравнении с технологией деления ядер реакции слияния относительно чисты и эффективны, вот только заставить их работать пока не удается. Атомов для производства огромных количеств энергии требуется очень немного (согласно уравнению Эйнштейна, E = mc2), отходов получается очень мало, и они определенно не содержат ничего столь неприятного, как сверхтяжелые элементы, которые мы получаем от атомных электростанций. Да и к парниковому эффекту энергия слияния не приводит, это самодостаточный, надежный источник энергии, нужно только наладить производство его «горючего» — водорода и дейтерия. Хотя, конечно, и он несовершенен и чреват побочными радиоактивными продуктами вроде нейтронов. Необходимость высоких температур приводит к тому, что главной трудностью оказывается контролирование раскаленного газа, и потому достичь термоядерного синтеза в колоссальных реакторах удается лишь на несколько секунд. В попытках преодолеть этот технологический барьер международная команда строит во Франции самый большой термоядерный реактор, названный «Международным термоядерным экспериментальным реактором (ITER)», который позволит проверить возможность коммерческого использования термоядерного синтеза.
Звездная пыль
Звезды — это природные термоядерные реакторы. Согласно расчетам немецкого физика Ганса Бете, светятся они из-за того, что ядра водорода (протоны) в них превращаются в ядра гелия (два протона и два нейтрона). В этом преобразовании, с превращением двух протонов в два нейтрона, рождаются фотоны и нейтрино.
Внутри звезд постепенно, шаг за шагом, образуются более тяжелые элементы — так, точно кухня термоядерного синтеза строго следует установленным рецептам. При последовательном «сгорании» сначала водорода, затем гелия, затем других элементов, которые легче железа, а со временем и элементов, которые тяжелее его, возникают ядра все более и более крупные. Звезды, подобные Солнцу, светятся потому, что они синтезируют из водорода гелий, а это процесс довольно медленный, тяжелые же элементы образуются при нем лишь в малых количествах.
В звездах покрупнее этот процесс убыстряется участием в дальнейших реакциях углерода, азота и кислорода. Так что тяжелых элементов в них производится больше и происходит это быстрее. После появления гелия из него можно соорудить углерод (три атома гелия-4 сливаются, образуя на промежуточном этапе нестабильный бериллий-8). Углерод может комбинироваться с гелием, что дает кислород, неон и магний. Эти медленные преобразования занимают бол ьшую часть жизни звезды. Элементы более тяжелые, чем железо, производятся в несколько отличных реакциях, постепенно выстраивая всю последовательность ядер, отвечающую периодической таблице элементов.
Первые звезды
Некоторые из первых легких элементов возникли не в звездах, но в образовавшемся после Большого взрыва огненном шаре. Поначалу вселенная была столь горячей, что даже атомы в ней стабильными не были. По мере ее остывания произошла конденсация атомов водорода, вместе с крохами гелия и лития и совсем уж малыми количествами бериллия. Таковы были первые ингредиенты всех звезд, да и всего остального тоже. Все более тяжелые элементы создавались в звездах и вокруг них, а затем выбрасывались в пространство взрывавшимися звездами, которые мы именуем «суперновыми». Однако мы и сейчас не понимаем, как заработали первые звезды. Самая первая звезда тяжелых элементов не содержала, у нее имелся только водород, и, стало быть, она не могла остывать достаточно быстро для того, чтобы начать сжиматься и включить механизм термоядерного синтеза. Процесс гравитационного сжатия слишком сильно разогревает водород. Тяжелые элементы помогают ему остывать, излучая свет, поэтому, когда появилось первое поколение звезд, начавших посредством взрывов суперновых выбрасывать в пространство свои побочные продукты, образование других звезд стало делом более легким. Но достаточно быстрое возникновение первой звезды и ее ближайших родственниц все еще остается загадкой.
«Все мы — случайно охладившиеся кусочки звездной материи, кусочки звезд, у которых что-то не заладилось» Сэр Артур Эддингтон, 1882-1944
Термоядерный синтез — это фундаментальный источник энергии вселенной. Если мы сможем заставить его работать на нас, все наши энергетические тревоги останутся позади. Однако это требует обуздания огромной мощи звезд здесь, на Земле, что далеко не просто.
Холодный синтез
В 1989 году ученый мир взбудоражила новость. Мартин Флейшман и Стэнли Понс сообщили, что им удалось осуществить ядерный синтез не в огромном реакторе, но «в пробирке». Пропуская электрический ток сквозь мензурку с тяжелой водой (в которой атомы водорода заменены атомами дейтерия), они, по их словам, создали энергию посредством «холодного» ядерного синтеза. Они уверяли, что их эксперимент дал больше энергии, чем потребил, и объясняли это слиянием ядер. Шум поднялся страшный. Большинство ученых сочло, что Флейшман и Понс ошиблись в расчете энергетического бюджета, что, впрочем, не доказано и поныне. Время от времени стали появляться другие спорные сообщения о лабораторном ядерном синтезе.
В 2002-м Рузи Талейархан предположил, что за так называемой соно-люминисценцией — излучением света имеющимися в жидкости пузырьками при ее облучении (и нагревании) ультразвуковыми волнами — стоит ядерный синтез. Присяжные все еще не решили, существует ли и вправду возможность осуществления ядерного синтеза в обычной лабораторной колбе.
Диаграммы Фейнмана
Диаграммы Фейнмана — это хорошо придуманные рисунки, которые можно использовать для быстрой записи сложных уравнений физики элементарных частиц. Любое взаимодействие частиц изображается тремя стрелками, которые встречаются в одной точке, две обозначают входящую и исходящую частицы а еще одна — частицу, переносящую взаимодействие. Комбинируя такие рисунки, физики могут выяснять вероятности различных взаимодействий.
Ричард Фейнман — обаятельнейший физик из Калифорнии, занимавшийся элементарными частицами и прославившийся как замечательный лектор, искусный игрок на бонго и человек, много сделавший для развития физики. Он предложил новый символический язык для описания взаимодействий частиц, используемый по причине его простоты до сих пор. Для сжатого изображения сложных математических уравнений Фейнман просто рисовал стрелки. Одна представляет входящую частицу, одна — исходящую, а еще одна линия, извилистая, изображает переносчика взаимодействия. Таким образом, любое взаимодействие частиц можно изобразить тремя линиями, встречающимися в одной точке, вершине. Взаимодействия более сложные строятся из нескольких таких элементарных рисунков.
Диаграммы Фейнмана — это не просто графические инструменты. Они не только позволяют физикам показывать механизмы взаимодействия элементарных частиц, но и помогают вычислять вероятность того, что такое взаимодействие произойдет.
Ричард Фейнман, 1918-1988
Ричард Фейнман был блестящим физиком и любителем валять дурака. На вступительных экзаменах в Принстон он набрал великолепные баллы и привлек внимание Эйнштейна. Работая в качестве ассистента в Манхэттенском проекте, он, по его словам, своими глазами видел испытательный взрыв атомной бомбы, сказав себе, что наблюдать за ним сквозь ветровое окно машины не опасно, поскольку стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи. В стоявшем посреди пустыни Лос-Аламосе ему было скучно, и Фейнман пристрастился вскрывать запертые на кодовые замки сейфы с документацией, угадывая числа, которые его коллеги выбирали в качестве кода, скажем, основание натуральных логарифмов е = 2,71828... Он оставлял в сейфах шутливые записки, и коллеги перепугались, решив, что в их ряды затесался шпион. Кроме того, он развлечения ради начал играть на барабане, заслужив в итоге репутацию большого чудака. После войны Фейнман перебрался в Калтех, где с наслаждением преподавал, получив от студентов прозвище Великий Объяснитель, и написал немало книг, в том числе знаменитые «Фейнмановские лекции по физике». Он входил в состав комиссии, которая расследовала причины взрыва космического шаттла «Челенджер», и выступал на ее заседаниях с обычной для него прямотой.
В числе заслуг Фейнмана — разработка КЭД, физики супержидкостей и слабого ядерного взаимодействия. В более поздние годы своей карьеры он выступил с лекцией «Там, внизу, еще много места», положившей начало разработке квантовых компьютеров и нанотехнологий. Фейнман всегда питал склонность к авантюрам и очень любил путешествовать. Мастерски оперируя символами, он попытался даже расшифровать письменность майя. Его коллега, физик Фримен Дайсон, написал однажды, что Фейнман — «наполовину гений, наполовину клоун», но впоследствии заменил эту характеристику на «законченный гений, законченный клоун».
Рисунки
Диаграммы Фейнмана изображают взаимодействия, используя стрелки для показа путей частиц, которые в них участвуют. Время в диаграммах течет слева направо, поэтому входящий и уходящий электроны — это стрелки, направо и указывающие. И, как правило, наклонные, что изображает движение. Поскольку античастицы эквивалентны частицам, двигающимся во времени вспять, их стрелки указывают налево. Вот несколько примеров.
Эта диаграмма может представлять электрон, который испускает фотон. Входящий электрон (левая стрелка) испытывает в точке встречи трех линий электромагнитное взаимодействие, которое порождает другой электрон, уходящий (правая стрелка), и фотон (волнистая линия). Частица не указана — только механизм взаимодействия. Диаграмма может с таким же успехом изображать и протон, испускающий фотон.
Здесь входящий электрон или другая частица поглощает фотон и получается второй электрон, обладающий большей энергией.
Здесь стрелки обращены в другую сторону, стало быть, это античастицы. Эта диаграмма может относиться к антиэлектрону, или позитрону (левая стрелка), поглощающему фотон, отчего появляется другой позитрон (правая стрелка).
А здесь электрон и позитрон встречаются, аннигилируют и порождают фотон чистой энергии.
Две вершины — или более — можно комбинировать, показывая последовательность событий. Здесь частица и античастица аннигилируют, создают фотон, который затем распадается на другую пару частица-античастица.
Вершины могут использоваться для представления множества различных типов взаимодействий. И для любых частиц, в том числе и кварков, а также для лептонов и их взаимодействий, включая электромагнитное, слабое или сильное. Все они следуют некоторым основным правилам. Должно происходить преобразование энергии, входящие и исходящие линии диаграммы должны представлять реальные частицы (такие, как протоны или нейтроны, но не свободные кварки, которые по отдельности существовать не могут), однако промежуточные этапы могут включать любые элементарные и виртуальные частицы — при условии, что под конец все они обращаются в частицы реальные. А эта картинка показывает бета-радиоактивный распад. Слева нейтрон, состоящий из двух «нижних» кварков и одного «верхнего». Он превращается в протон, который состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», испуская также электрон и антинейтрино. В этом процессе участвуют два взаимодействия. «Нижний» кварк нейтрона превращается в «верхний», выбрасывая W-бозон (показан волнистой линией), переносчик слабого ядерного взаимодействия. Затем W-бозон распадается на электрон и антинейтрино. Среди продуктов взаимодействия W-бозон отсутствует, однако участвует в нем на промежуточной стадии.
Вероятность
Эти диаграммы — не просто удобный и быстрый способ визуального представления взаимодействий, они могут также сказать, насколько эти взаимодействия вероятны. То есть они дают и мощное математическое представление сложных уравнений. Чтобы понять, насколько вероятно взаимодействие, необходимо знать, сколько существует путей, позволяющих получить его конечный результат. Тут-то диаграммы и оказываются очень кстати. Нарисовав все различные варианты взаимодействия, все образованные различными промежуточными взаимодействиями пути от его начальных условий к конечным, вы можете получить вероятность каждого, просто пересчитав рисунки.
КЭД
Идея диаграмм пришла Фейнману в голову в 1940-х, когда он занимался разработкой квантовой электродинамики. Мысль, лежавшая в основе КЭД, очень похожа на принцип Ферма, описывающий распространение света: свет идет по всем возможным путям, но наиболее вероятным является самый короткий из них, и по нему свет проходит в фазе. Применение аналогичной идеи к электромагнитным полям позволило разработать после 1927-го квантовую теорию поля, что и привело к КЭД.
КЭД описывает электромагнитные взаимодействия, осуществляемые посредством обмена фотонами, и тем самым соединяет в себе квантовую механику, описание электрического поля и элементарные частицы. Именно пытаясь выявить вероятности всех возможных взаимодействий, Фейнман и пришел к идее их графического представления. После создания КЭД физики распространили эту картину на цветовое поле кварков, создав теорию, названную «квантовой хромодинамикой», или КХД. А затем КЭД была объединена со слабым ядерным взаимодействием, и получилось «электрослабое» взаимодействие.