Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Глава 3
Необыкновенная связь
С каждым днем стареют учебники. Всего четыре десятка лет назад сделало свой первый шаг строптивое дитя физики и математики — квантовая химия. А сколько классических представлений, выкристаллизовывавшихся веками, низвергло оно за короткий срок!
Уравнение Шредингера занимает ровно одну строчку. А отразило в себе, как капля воды Солнце, весь грандиозный опыт старой и новой физики.
Впрочем, оно явилось не только итогом научного прошлого. Оно стало мощным интуитивным рывком в будущее. Именно математическая интуиция предвосхитила явление электронного спина — фундаментальнейшую характеристику химической связи. Именно квантово-механические расчеты позволили химикам, как сквозь магический кристалл, заглянуть внутрь валентного штриха, проникнуть в быстрый и легкий мир призрачных электронных архитектур.
Спору нет, высоко вознеслось своими строгими и изящными формами современное здание квантовой химии над архаичными постройками химии лукрецианской. Но имеет ли это теоретическое здание «выходы» в практику? Или же химия производящая вынуждена в бесцельном ожидании томиться у его парадного подъезда?
«Знание — орудие, а не цель». Так говорил великий писатель и философ Лев Толстой. А если с этим мерилом подойти к квантовой химии?
Век девятнадцатый нередко называют веком пара и электричества. Но как назвать XX век? Атомным? Космическим? Веком полимеров? Или электронных машин? А может, веком сверхчистых веществ?
Любое из этих определений столь же правомерно, сколь и ошибочно. Правомерно потому, что именно в наш неугомонный век началось бурное развитие новейших технических областей, неузнаваемо преобразивших лицо планеты. И, ей-же-ей, нетрудно понять специалиста, когда он из самых чистых побуждений наделяет эпоху именем милого его сердцу направления. Быть может, даже чуточку переоценивая его значение и перспективы. И тем самым невольно умаляя роль чуждой сферы деятельности. В этом-то, пожалуй, и коренится ограниченность любого однозначного эпитета, которым награждают нынешний мир науки и техники. Он слишком многогранен, этот мир, чтобы любое лаконичное определение не грешило однобокостью.
И слишком беспокоен в своих дерзаниях, чтобы довольствоваться уже достигнутым и оставаться завтра таким же, как сегодня!
Но каким бы разносторонним ни был прогресс, которым гордятся ученые и инженеры XX века, на любом самом передовом участке размежеванной нивы знаний уже пожинаются или зреют гибридные плоды химии, физики и математики.
Лазеры. Полупроводники. Полимеры. Жароупорные покрытия. Медикаменты. Материалы для ядерной и ракетной техники. Надо ли перечислять дальше? Воистину необъятен диапазон, где приложимы идеи квантовой химии!
Энергетика. Вопрос вопросов технического прогресса. Перед глазами встают долговязые металлические мачты, шагающие с зажатыми под мышками проводами из конца в конец страны. Приземистые плотины ГЭС, в чреве которых клокочет вода, размолотая лопастями турбин. Нацеленные в небо жерла труб с зыбкими хоботами дыма, рвущегося из огнедышащих топок теплоэлектроцентралей. Массивная железобетонная броня атомных станций. Многометровые громады сооружений из камня и металла.
А если все иначе? Без труб и котлов, без плотин и турбин. Без угля, без воды, без урана. Просто открыл саквояж, распаковал палатку, поставил на солнцепек, и готово — включай ток. Вари уху на электроплитке, слушай радиопередачи, брейся электробритвой, заряжай аккумулятор впрок, чтобы и вечером было светло. И все от одного источника — полупроводниковых фотоэлементов, из которых сделана палатка. Фантазия? Мечта? Пожалуй. Но если и так, то не очень далекая от реальности.
Совсем недавно у полупроводниковых преобразователей солнечной энергии в электрическую коэффициент полезного действия не превышал жалких долей процента. А сегодня он подпрыгнул до 7–10 процентов. И это, понятно, не предел. Ученые упорно изыскивают фотохимические катализаторы, которые позволят эксплуатировать даровые солнечные лучи с кпд 30–40 процентов. Но развитие науки о фото- и термоэлектрических процессах немыслимо без квантово-механического понимания явлений электронных.
Человек идет за Солнцем. Почему? Зачем? Как?
На первый взгляд кажется, будто нет особой нужды ловить солнечные зайчики. В самом деле: чем хуже солнечных лошадиные силы того же пара? А разве человек не запряг к тому же и атом? То ли будет впереди! На очереди — термоядерные электростанции. Уж тогда-то энергии будет хоть отбавляй.
Верно. Хоть отбавляй. Но надолго ли?
По расчетам советского ученого Иосифа Самойловича Шкловского, если каждое столетие объем производства будет удваиваться, то через 2500 лет он должен возрасти в 10 миллиардов раз! Это означает, что в 45 веке потребности землян в энергии составят величину космического порядка — 0,0001 «тотальной» мощности солнечного излучения. А возможности?
Подсчитано, что работа, которую способны дать все запасы атомного топлива, всего в 20–30 раз превосходит энергию горючих ископаемых, что лежат еще не добытые у нас под ногами. Спору нет, человечество овладеет секретом управляемого термоядерного синтеза. Тем не менее общая мощность термоядерных электростанций не может превзойти некоторый роковой предел. Академик Семенов считает, что это ограничение связано с перегревом земной поверхности и атмосферы. Так что едва ли удастся получать термоядерную энергию в количестве, большем 5–10 процентов солнечной энергии, поглощаемой нашей планетой и ее воздушным покрывалом. Вывод один: энергетические ресурсы Земли явно недостаточны для нормального развития общества разумных существ на протяжении нескольких тысячелетий.
Между тем при утилизации солнечной энергии перегрева Земли опасаться нет оснований. Солнце ежесекундно посылает нам сорок триллионов больших калорий. Правда, большая часть этих щедрых золотых потоков рассеивается и лишь отчасти поглощается атмосферой. Поверхности достигает около трети лучистой энергии; в южных широтах больше, в северных — меньше. Если всю ее полностью превратить в электрическую, то в производственной упряжке оказалось бы куда больше лошадиных сил, чем могли бы дать термоядерные станции. Даже десятой доли солнечного тепла и света — тех, что падают на поверхность одной только суши, — хватило бы для получения гигантских количеств энергии. В тысячи раз больших, чем ее нынешнее мировое производство.
Чтобы добиться желанного результата, придется покрывать фотоэлементами огромные участки суши, а может быть, и водоемов. Однако тонкие кристаллические пленки, германиевые или кремниевые, — штука капризная. Сейчас их составляют из отдельных кусочков — точь-в-точь как мозаичное панно. Но одно дело мозаика размером с книгу или с газету, как на спутнике, а другое — гектары лучеуловителей. Одно дело безвоздушный штиль космоса, другое — беспокойное царство земных
