Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
Еще не раскрыта сложная структура ядра и элементарных частиц. Быть может, наибольшую энергию можно будет получать не при переходе атома с одного энергетического уровня на другой и даже не в процессе распада или синтеза атомов, а в процессах совершенно иного рода. Выше уже говорилось о том, что физики установили факт превращения частиц вещества — электрона и позитрона, находящихся в сильном поле ядра, в гамма-кванты, т. е. в свет. Этот процесс связан с максимальным образованием энергии.
Позитрон является такой же частицей вещества, как и электрон, но только заряд его не отрицателен, а положителен; он является как бы отображением электрона, или, как говорят физики, его античастицей. В наше время известно свыше тридцати различных элементарных частиц; для некоторых из них уже открыты их античастицы. Например, установлено наличие не только элементарной частицы — протона, но и антипротона, не только нейтрона, но и антинейтрона. По-видимому, каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Соединение частицы и античастицы в особых условиях (сильные ядерные поля) приводит к превращению их в соответствующие кванты излучений. Можно предполагать, что любая пара элементарных частиц — частица и ее античастица, — взаимодействуя друг с другом в сильных полях, претерпит превращение в кванты света. Эти превращения будут сопровождаться огромными энергиями, гораздо большими, чем те, которые связывают и отдают такие возбужденные физические системы, как молекулы, а темы и ядра.
В поисках условий, при которых протекают подобные процессы, физики создают мощные ускорители, в которых в огромном пустом внутри кольце периодически меняющиеся поля разгоняют элементарные частицы до очень больших скоростей. Эти частицы достигают на выходе огромных энергий, порядка миллиардов электрон-вольт. Так, в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований уже несколько лет работает ускоритель, в котором получаются частицы с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт. В Швейцарии вступил в строй ускоритель объединенных западных держав; элементарные частицы разгоняются в нем до 25 миллиардов электрон-вольт. В Советском Союзе проектируется еще более мощный ускоритель.
Для чего физики упорно стремятся получить частицы все более высоких энергий? Для того, чтобы с их помощью прощупать структуру ядер, элементарных частиц, взаимодействие их между собой, открыть новые возможные частицы, закономерности их взаимопревращений, их превращения га кванты света. Эти исследования должны раскрыть, какие превращения протекают в глубинах атома, выяснить, при каких условиях и какую энергию могут освободить в этих превращениях ядра или элементарные частицы.
Исследования физики в области атомной энергии тесно переплетаются с исследованиями астрофизиков. Результаты, полученные одними, помогают другим осмыслить наблюдаемые явления.
Долгое время астрофизики пытались разгадать, каков источник столь мощного излучения Солнцем световой энергии. В прошлом веке образование солнечной энергии пытались объяснить сильным сжатием Солнца, т. е. превращением механической энергии. Однако подсчеты показали, что величина энергии, которую возможно получить за счет сжатия, была бы ничтожно мала по сравнению с действительной. Точно так же было выяснено, что огромную величину излучаемой солнечной энергии нельзя объяснить никакими химическими реакциями окисления.
Только тогда, когда ученые постигли структуру атомов и их различные превращения, они поняли, что солнечная энергия образуется в результате ядерных реакций. В настоящее время полагают, что световая энергия Солнца получается в результате ядерной реакции, при которой 4 атома водорода превращаются в атом гелия и два позитрона; при этом выделяется около 27 миллионов электрон-вольт энергии в расчете на один грамм превращенного водорода. Количественный спектральный анализ показал, что на 80% Солнце состоит из водорода и на 18% из гелия. Расчеты показывают, что Солнцу с его огромным запасом водорода и при его теперешней интенсивности излучения хватило бы энергии, освобождаемой при превращении водорода в гелий, на сотни миллиардов лет.
Интерес физиков все более приковывается к процессам, происходящим во Вселенной. Ведь звезды представляют собой гигантские ядерные котлы, в которых природа создала исключительные условия высоких температур и давлений, недостижимые в земных условиях. Мы знаем об этих исключительных условиях опять-таки из анализа звездных спектров. В недрах звезд протекают реакции, о которых мы, быть может, еще не имеем представления и которые служат источником колоссальных энергий, излучаемых в мировое пространство. Какие колоссальные запасы энергий хранятся в звездах и испускаются в виде энергии света, трудно себе и представить. Энергия некоторых звезд превышает солнечную в десятки и сотни тысяч раз. Длительность излучения у каждой звезды исчисляется многими миллиардами лет. Только в одной нашей Галактике содержится более ста миллиардов звезд.
Замечательно, что вся эта информация прочитана путем расшифровки языка света, падающего на Землю.
Мощные источники энергии в ядрах радиогалактик
Не все явления, наблюдаемые астрофизиками, можно объяснить посредством ядерной реакции превращения водорода в гелий. Уже около полусотни лет ученые изучают космические лучи, приходящие к нам на Землю из далеких глубин Вселенной. Эти «лучи» представляют собой поток быстродвижущихся положительно заряженных частиц — протонов, а также в небольшом количестве альфа-частиц и других ядер. Энергия этих частиц огромна, она измеряется миллиардами электрон-вольт, а в отдельных случаях доходит до сотен миллионов миллиардов электрон-вольт.
Где и в каких условиях космические частицы получают такую колоссальную энергию? Ни в нашей Солнечной системе, ни в нашей Галактике таких условий не обнаруживается.
Быть может, ответ на этот вопрос даст анализ радиоизлучений, наблюдаемых с помощью радиотелескопов.
Как известно, все галактики испускают кроме видимого излучения еще и радиоизлучения. У большинства галактик мощность этих радиоизлучений невелика по сравнению с мощностью их видимого светового излучения. Но все же находятся и такие галактики, у которых мощность радиоизлучения сравнима с мощностью их видимого светового излучения. Естественно, что эти «радиогалактики» привлекли к себе внимание. Чем они отличаются от других, что за процессы там происходят?
Советские астрофизики установили, что источником мощных радиоизлучений радиогалактик является поток электронов весьма высоких энергий, движущихся в сильных магнитных полях. Этот поток электронов высоких энергий выбрасывается из ядра радиогалактик. Именно в ядрах галактик происходят какие-то, еще нам неизвестные, процессы, в результате которых возникают потоки частиц высоких энергий и испускаются мощные радиоизлучения.
Так исследование Вселенной с помощью света дает физикам возможность лучше понять природу и условия тех превращений, которые испытывают элементарные частицы и атомные ядра в галактиках и звездных системах. Оно открывает пути к новым практически неисчерпаемым источникам энергии.
Незаменимым орудием этого исследования является свет в широком смысле этого слова, т. е. электромагнитное излучение.
Заключение. Что дала человеку наука о свете
О чем рассказывает свет
В этой книге был дан лишь самый общий очерк того, каким путем шли ученые в познании свойств света и к каким огромным результатам привело это познание.
Что же дало человеку познание законов света, законов возникновения, распространения и преобразования электромагнитных излучений?
Прежде всего выяснилось, что свет является надежным паспортом вещества — атомов и молекул, кристаллов и даже белков. Установление этого факта помогло человеку открыть еще не открытые элементы, осуществлять точнейший спектральный анализ вещества, контролировать составы сплавов и смесей.
Но спектральные закономерности излучаемого света — не простая этикетка вещества. Спектр излучений однозначно связан с его структурой. Переходя из одного энергетического состояния в другое, вещество излучает свет. Изучение спектров излучений помогало не только распознавать или устанавливать присутствие даже крайне малых долей того или иного вещества, но и раскрывать внутренние взаимосвязи в различных физических системах, познавать структуру атомов, молекул, кристаллов.
Свет обладает свойством переносить информацию и энергию. Для своего распространения он не требует какой-либо вещественной среды. Практически он переносит информацию и энергию через все земные расстояния и через бесконечно далекие космические пространства.
