http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=c85ee08b-ba71-42ab-8dff-de628d22566e&print=1© 2024 Российская академия наук
Академики нашли, чем пленить молодых физиков
Казалось бы, чем еще можно удивить физиков? Уж точно - не лазерами. Возможно, так считали многие из сотни талантливых и перспективных студентов, аспирантов, научных работников, приехавших из разных городов России в подмосковный Звенигород, на XII школу молодых ученых “Актуальные проблемы физики”, чтобы узнать из первых рук о том, что творится на переднем крае науке. Но иного мнения был директор Института ядерной физики академик Александр Скринский, специально прилетевший из Сибири на мероприятие, проводимое ФИАНом (а ведь именно в этом институте и были сделаны первые лазеры!), с тем чтобы рассказать всем о квантовых генераторах. Правда, особенных.
Возьмем, к примеру, обычный лазер. Несмотря на все уникальные возможности этого прибора, у него есть существенный недостаток - жестко фиксированный спектр излучения. Ученый или инженер, используя его, вынужден “подстраиваться” под этот спектр, что ограничивает и выбор технических устройств, и область исследуемых задач. Для плодотворной работы необходим лазер, у которого можно было бы в широких пределах изменять частоту испускаемого света, подстраивая квантовый генератор под свои нужды. На первый взгляд, кажется, что сделать такой прибор невозможно. Ведь для работы лазера необходимо какое-нибудь вещество - так называемое рабочее тело, которое состоит из атомов, имеющих строго фиксированный спектр. Тем не менее в новосибирском ИЯФ успешно изготавливают лазеры на свободных электронах, у которых нет рабочего тела. Вместо него используется пучок электронов, который гоняется по кругу в сильном магнитном поле. Изменяя параметры этого пучка, можно менять по своему усмотрению спектр излучения в очень широких пределах. Единственный недостаток такого лазера - немаленькие размеры: несколько метров или больше, что исключает его использование в качестве настольного прибора. Александр Николаевич также добавил, что с помощью лазера на свободных электронах можно передавать энергию искусственным спутникам Земли, направляя луч когерентного света прямо на их солнечные батареи.
Другая известная тема - переработка химических отходов с помощью плазмы. Даже самое устойчивое соединение при нагревании сначала испаряется, а затем распадается на отдельные атомы. Направляя плазменную дугу на любую ядовитую жидкость, можно превратить ее в безвредный газ. Но, оказывается, используя четвертое состояние вещества, можно также обращать бытовые отходы в горючее, решая таким образом сразу две основные проблемы ХХI века - глобальное загрязнение и энергетический кризис. О новом применении плазмы сообщил в своей лекции директор Института проблем электрофизики РАН академик Филипп Рутберг. Участники школы в связи с этим даже стали обсуждать (правда, полушутя) возможность создания вечного “мусорного” двигателя второго рода: все отходы производства превращаются в энергию, которая затем снова используется для работы производства и т.д. Подобную возможность для непрерывного превращения тепла в полезную работу обсуждали в XIX веке и тогда же пришли к принципиальной невозможности создания вечного теплового двигателя второго рода. Это, в свою очередь, привело к открытию законов термодинамики. Надо полагать, невозможность создания вечного “мусорного” двигателя приведет к развитию плазменных технологий.
От плазмы земной академики перешли к плазме небесной. Об огромных природных полигонах для изучения ее поведения рассказал директор Института космических исследований РАН академик Лев Зеленый. Например, у Меркурия приличное магнитное поле, но полностью отсутствует атмосфера. Здесь мы наблюдаем процессы непосредственного взаимодействия солнечной плазмы с магнитосферой. У Венеры, наоборот, никакого магнетизма и очень плотная газовая оболочка. У Марса слабенькая атмосфера и следы остаточной намагниченности. Природа, переходя от одного небесного тела к другому, умудрилась ни разу не повториться, дав, таким образом, человечеству возможность прилично сэкономить на постройке искусственных полигонов для изучения плазменных явлений. Лев Матвеевич также поведал о новом международном проекте, в котором планируется изучать процессы в околоземном пространстве, используя одновременно порядка 20 искусственных спутников (точное число будет зависеть от финансирования). В космической науке сейчас существует такая проблема. Предположим, какой-то спутник зафиксировал резкое изменение параметров окружающей его среды. Никто не знает, к чему относить подобное изменение. То ли это глобальный процесс, произошедший во всем околоземном пространстве в данный момент времени, то ли местное возмущение. Иначе говоря, астрономы пока не могут отделить временные процессы от пространственных. Синхронное использование различных спутников для изучения одного и того же явления из разных мест должно внести ясность в эту проблему.
Постепенно лекции про ближний космос сместились в сторону далеких миров. В космологии существует загадка, связанная с так называемой темной материей. Ученые применили теорию гравитации Эйнштейна к наблюдательным данным и пришли к выводу, что кривизна Вселенной в больших масштабах не положительная и не отрицательная, а с хорошей точностью нулевая. То есть геометрия нашего мира - евклидова. Отсюда, опять же согласно формулам Эйнштейна, получается, что полная масса Вселенной должна в десятки раз превосходить массы всех видимых на небе звезд и галактик. Что же дает такой большой вклад в общую массу мира? В этом и состоит загадка современной космологии. Один из возможных ключей для ее решения - дейтерий. Дело в том, что тяжелый водород не может образовываться в результате термоядерного синтеза в недрах звезд. Наоборот, он там быстро “выгорает”, превращаясь в гелий. Откуда же он взялся? Предполагается, что образовался в первые минуты после Большого взрыва. В таком случае его количество напрямую зависит от средней плотности Вселенной. Процентное содержание дейтерия, находящегося в водородных облаках внутри нашей Галактики, можно измерить. Но как узнать, сколько его было в ранней Вселенной? Профессор кафедры “Космические исследования” Санкт-Петербургского государственного технического университета академик Дмитрий Варшалович сообщил о новом методе, позволившем определить процентное содержание дейтерия в облаке молекулярного водорода, находящегося на расстоянии более 10 миллиардов световых лет от нас. В качестве физического прибора для просвечивания облака астрономы использовали расположенный за ним квазар. Дальнейшее применение метода даст возможность более точно определить содержание дейтерия в ранней Вселенной и таким образом позволит произвести независимую оценку ее плотности, а значит, и предсказать ее будущее.
Казалось бы, кого интересуют подобные вещи? Ну, не все ли равно, чему равна плотность Вселенной и сколько в ней темной материи? Тем более что эту материю астрономы до сих пор не могут зарегистрировать, несмотря на все усилия. Тем не менее космологическая тема оказалась наиболее близкой слушателям. Именно она вызвала самое сильное оживление в зале и спровоцировала бурную дискуссию. Всем хочется узнать, будет ли Вселенная расширяться вечно или через много миллиардов лет произойдет Большой коллапс - процесс, обратный Большому взрыву. Почему столь далекие вещи нас волнуют подчас сильнее, чем неурожай или повышение цен? Может, потому, что где-то глубоко на квантовом уровне мир пронизан нелокальными связями и представляет собой единое целое. А согласно квантовой механике, две частицы, объединенные такими нелокальными связями, “чувствуют” физическое состояние друг друга, даже если разделены огромным расстоянием. Способны ли и мы чувствовать то, что творится на другом конце Вселенной?
Академики читали лекции с утра до вечера в течение двух дней. Молодые ученые не остались в долгу перед ними и рассказали о своих достижениях.