Фридэн Королькевич - Этюды о свете
Память цинка, например, с учетом его красной границы фотоэффекта имеет величину 1,2·10−14 секунды. При частоте света больше 4,5·1014 герц цинк получает плотную «очередь» субквантов, сравнимую с ударом частицы вещества. Но при меньшей памяти приемника удара фотона такой же частоты уже не будет. И наоборот: при низкой частоте света, но при увеличенном времени памяти приемного устройства можно получать нужный уровень воздействия — удар, нагрев, трансформацию вида энергии.
В этом — вся соль.
Если поучиться у природы и привлечь теорию, то собранные уловителями лучистой энергии кванты далеких звезд и других излучателей могут стать очень и очень полезными.
Использовать лучистую энергию Космоса в конце XIX века призывал еще первый русский физик-теоретик, профессор Московского университета Николай Умов. А постановка задачи, как известно, — первый шаг к ее решению. Но только недавно немецкие исследователи создали материал, который вместо стекла в окне не только пропускает свет, но и обогревает помещение. Изобретатель компьютерной дискеты Иосиро Накамацу объявил в 2001 году об использовании энергии космических излучений. Главный ученый секретарь Российской академии наук Николай Платэ сообщил в конце того же года в газете «Труд» о создании новых материалов, обладающих памятью и эффективно преобразующих виды энергии.
Недавно в Кремле на заседании Всемирного информационного форума было сказано: «Не нужно больше никакого топлива. Найден новый универсальный источник энергии — свет». «Общая газета» иронизировала в своем сообщении по поводу этого заявления, но уподобилась тем самым герою рассказа А. П. Чехова «Письмо к ученому соседу».
Во-первых, лучистая энергетика уже миллионы лет действует в мире растений и животных, впитывающих живительные лучи Солнца, и не только его.
Во-вторых, существует и успешно развивается гелиоэнергетика — как на земных станциях, так и на космических аппаратах, где она является частью штатной технологии жизнеобеспечения экипажа.
В-третьих, в последние десятилетия объединяются теоретические и технологические разработки в области фотоэлектрического и фототермического преобразования лучистой энергии.
Преобразования лучистой энергии различны. В фотоэнергетике растений — это поглощение и консервация энергии фотонов не только в хлоропластах, как это представлялось в рамках классической теории фотосинтеза, но и в биомембранах. В гелиоэнергетике — высокотемпературный нагрев рабочей среды или получение электроэнергии на глубоких внутриатомных и межатомных уровнях полупроводниковых элементов.
Пока что фантастическим, но теоретически возможным способом преобразования энергии является и аннигиляция частиц с полным освобождением заключенной в них энергии субквантов. Если существует в природе фоторождение частиц, то почему бы не существовать и обратному процессу, свойственному явлениям природы?
Косвенно о такой возможности свидетельствует невообразимо сильное излучение галактик Мессье 87 и Лебедь А, где поток энергии исчисляется величинами в 1044 эрг в секунду, что объяснимо пока только теоретически возможным механизмом аннигиляции, не противопоказанной космическим объектам.
Делокализация субквантов частиц при их аннигиляции дает 90 процентов заключенной в них энергии массы покоя. Оставшиеся — у нейтрино.
Субквантовая энергетика отнюдь не стоит перед гамлетовской дилеммой: быть ей или не быть? Она уже есть. Вопрос в другом: как производительно использовать энергию мириадов космических фотонов, щедро дарованных нам природой.
ОСНОВА АТОМИСТИКИ
Двадцать пять веков назад Фалес Милетский задал вопрос: из чего создан наш мир? Похоже, что нынешняя атомистическая теория отвечает на него так: из всего. Из частиц, полей, физического вакуума — из всего. Но это не очень хорошо разъясняет, из чего созданы, например, частицы? А свет?
Атомистика — это учение о прерывистом, «зернистом», по Демокриту, дискретном строении материи. Ее исходным понятием послужила идея атома — неделимого создания природы. Однако по мере экспериментального доказательства различия форм материи — в виде уже делимого атома, молекул, частиц, полей и физического вакуума — атомистика отошла от своего изначального смысла. Постепенно она превратилась в учение обо всех зернистых и незернистых формах и видах материи. Современная атомистика считает материю прерывной и непрерывной, она отрицает существование конечных «кирпичиков» мироздания, действительно неделимых, первичных его элементов.
Но если даже реальность дискретных и непрерывных форм материи доказана опытом, это еще не доказывает невозможность существования исходных элементов ее структур. Отрицание первичных элементов есть использование недоказательства их реальности как доказательства их нереальности.
В «Диалектике природы» Энгельс заметил, что если все различия и изменения качества сводятся к количественным различиям и изменениям, то мы с необходимостью приходим к тезису, что вся материя состоит из тождественных мельчайших частиц. Но до этого мы еще не дошли. До этого еще не дошла и физика высоких энергий, имеющая дело с наиболее глубоко скрытыми деталями строения вещества и в этом смысле логически развивающая гипотезы античных философов.
Взаимопревращения частиц заставляют предполагать наличие некоего общего элемента, служащего для них как бы строительным материалом. Фоторождение частиц и их превращение в свет убеждает в возможности существования единой для них детали, инвариантной относительно форм, видов и состояний частиц вещества и излучений. Эта общая для них деталь в частицах перекрывается их характеристиками. Остается искать ее в свете, в фотонах.
Ньютон считал, что изучение света — ключ к познанию тайн материи. Действительно, изучение света не раз приводило к фундаментальным результатам. Один из них — создание квантовой теории. Но и в ней, как известно, еще нет ответов на вопросы о физической сущности квантов света и постоянной Планка. А Лобачевский сетовал, что трудность понятий увеличивается по мере их приближения к начальным истинам в природе. Это относится и к атому энергии излучений — субкванту.
Свет, фотоны показывают: да, в природе существует исходный, начальный элемент материальных структур, инвариантный относительно вещества и излучения. Он неделим, имеет точное численное значение величины энергии, размер, участвует в создании всех частиц вещества и вновь обретает свой первоначальный вид при их распаде и аннигиляции. В частицах он может группироваться в своего рода фракции, которые определяются в качестве кварков, партонов и им подобных образований.
Идея субкванта, вероятно, отвечает на вопрос Фалеса из Милета: мир наш, вещество и свет, образован из субквантов. Они обладают всеми качествами и параметрами, необходимыми для того, чтобы признать их непреходящей основой современной атомистики.
«ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!»
Так таинственно кричали чайки герою романа Джойса «Поминки по Финнегану» во время кошмарного бреда. В 1963 году американские физики Гелл-Манн и Джордж Цвейг предложили гипотезу о трех фундаментальных составляющих адронов — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, и назвали их кварками. Нечто неопределенное и мистическое стало характерным свойством кварков.
С годами их стало как минимум семь, появились и антикварки. Чтобы их различать, ввели «цвет», «очарование» и другие прелести. Но никто и никогда не смог выделить из частиц ни одного кварка. Считается, что это невозможно. Однако есть убедительные доводы в пользу существования такого, кваркового уровня строения материи. Установлено наличие в адронах важных структурных элементов на расстояниях меньше 10−16 сантиметра, а протон имеет радиус порядка 10−13 сантиметра. Кварковая модель является сегодня главным кандидатом на роль фундаментальной теории сильных взаимодействий в квантовой теории поля.
Но что такое кварки?
Известно, что взаимопревращение света и всего отряда элементарных частиц — надежно установленный опытом факт. Это вызывает простой вопрос: если кварки действительно существуют как основа адронов, то где они обитают до превращения фотонов в частицы и после превращения частиц в фотоны?
Ответа на этот вопрос пока нет. Известно, что в фотонах никаких кварков нет ни до, ни после их взаимопревращений в элементарные частицы.
Как писали Зельдович и Хлопов, в рамках кварковой гипотезы процесс образования адрона заключается в следующем. Электрон и позитрон аннигилируют и образуют квант света. Потом он уничтожается и рождается пара кварк-антикварк, которая как-то превращается в адрон. Полная вероятность аннигиляции электрона и позитрона в адрон определяется вероятностью рождения пары кварк-антикварк.
