Чирков Ю. Занимательно об энергетике

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 10
ЭНЕРГЕТИКА: ФАНТАЗИИ И ФАНТАСТИКА

Физика настоящего — это техника будущего.
А. Иоффе
Практически все знания, накопленные человечеством к нашему времени, содержатся в энциклопедиях: Большой Советской, Британской, Американской, французском «Ляруссе». Многие десятки толстенных томов: как много познано, открыто, изобретено!
Но вот недавно в Англии вышла «Энциклопедия незнания». Всего один том: 450 страниц. Однако редакторы-составители этого тома утверждают: «Наши знания — всего лишь островки среди безбрежного океана еще не познанного».
Да, с этим трудно не согласиться: можно придумать тьму вопросов, остающихся пока без ответа. Ну, скажем, что такое ноль? Нечто, состоящее из ничего? Что есть время и почему оно «глядит» всегда в одну сторону? Почему в таблице Менделеева первым стоит атом водорода, а не искусственно созданные в лабораториях позитроний, мюоний, пионий?
А если так, если мы барахтаемся, сами того подчас не замечая, среди бескрайних волн Океана Незнания, то стоит ли сомневаться в том, что рано (лучший вариант!) или поздно ученые предложат сверхнеординарные, сногсшибательные методы получения обильной энергии.
Эта глава последняя. Мы говорили об энергетике сегодняшнего дня (часто поминая прошлое), обсуждали и близкое наше энергетическое будущее. Ну а перспективы? Что там   (за энергетическим горизонтом)?
Трудно сказать! Тут мы оказываемся на зыбкой почве спекулятивных (имеющих поневоле вероятностный характер) рассуждений.
Когда разглагольствуешь о будущем, полезно, к примеру, помнить ядовитое высказывание английского писателя Гилберта Честертона:
«Человеческий род... с момента своего возникновения увлекается детскими играми и будет, по-видимому, увлекаться ими до скончания веков. Одна из любимейших его игр называется «О завтра ни гугу», а в простонародье «Натяни нос пророку». Заключается она в следующем. Играющие весьма внимательно и почтительно выслушивают все, что тот или иной мудрец имеет сообщить им относительно грядущих событий, потом терпеливо дожидаются его смерти и хоронят его по первому разряду. Затем все расходятся по домам и занимаются каждый своим делом...»
Действительно: роль предсказателя, прорицателя, футуролога не из лучших. В деле этом существует своеобразный (заимствованный из квантовой механики) принцип неопределенности: чем конкретнее и точнее прогноз, тем он менее достоверен, и наоборот.
Таким образом, как, впрочем, и всюду, золотой оказывается середина! Будем к ней, поелико возможно, стремиться и мы.
Проекты, проекты...
Заточенный в тюрьму и приговоренный к смертной казни, русский революционер Дмитрий Дмитриевич Ахшарумов написал на стене камеры:
Тогда и для земной планеты Настанет период иной: Не будет ни зимы, ни лета, Изменится наш шар земной, Эклиптика с экватором сольется, И будет вечная весна .. И для людей другая жизнь начнется, Гармонией живой наполнится она, Тогда изменятся и люди и природа, И будет на Земле мир, счастье и свобода!..
Д. Ахшарумов мечтал о том изобилии энергии, когда человек сможет повернуть земную ось, поставить ее строго перпендикулярно плоскости орбиты. Тогда смена времен года исчезнет, продолжительность дня и ночи уравняется, на Земле установится нечто вроде вечной весны...
Недостатка в грандиозных проектах преобразования жизни на нашей планете никогда не было. Многие из этих проектов были связаны с энергетикой.
Например, в начале нашего века большой известностью пользовалось предложение Г. Зергеля. В пику сильной капиталами пан-Америке и богатой населением пан-Азии он  предложил  проект  пан-Европы. Известно:  через  Гибралтарский  пролив из  Атлантического океана в Средиземное море каждую секунду перетекает 88 тысяч кубических метров воды, восполняющих испарение в Средиземноморье. Поэтому, рассуждал Зергель, если уровень Средиземного моря искусственно понизить на 200 метров, то можно на электростанциях, устроенных в Гибралтарском проливе, вполне свободно получить электроэнергию мощностью 120 миллионов киловатт (огромная по тем временам цифра!). Для этого надо лишь перегородить Гибралтар плотиной...
А вот проект похлестче. Вращение небесных тел, имеющих магнитное поле, создает электродвижущую силу в результате так называемой униполярной (гомо-полярной) индукции.
Наша Земля, совершающая оборот за 24 часа, имеет магнитное поле около 0,1 гаусса. Кинетическая энергия вращения Земли составляет громадную величину — 6,17 • 1025 килокалорий.
Так вот, если использовать земной шар в качестве ротора естественного электрогенератора с положительными клеммами на полюсах и отрицательными на экваторе, то можно в принципе получить напряжение около 100 000 вольт!
Только неясно, как обращаться с таким необычным генератором.
Еще проект — нейтринный. Поток нейтрино, падающих на земную твердь из космоса, по мощности почти не уступает потоку солнечной энергии. Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействует с материей, этот поток свободно проходит через облачный покров и, кроме того, предоставлен в наше распоряжение и днем и ночью (не то, что солнце!).
Значит, надо только догадаться, как затормозить нейтрино...
Подобных умозрительных схем, видимо, можно предложить великое множество. Так, изобретатель В. Черенков ратует за создание вокруг Земли пылевого кольца: оно бы отражало на Землю часть солнечных лучей, проходящих мимо...
Можно перегородить плотиной Берингов пролив, растопить льды Антарктиды, жечь уголь под землей... Можно делать многое: вот только будет ли толк? Не нарушится ли природное равновесие? Не нагрянет ли беда оттуда, откуда и не ждешь?
Слишком многое надо    предусмотреть,    предвидеть, проследить  цепочки  причинных  связей    между,    казалось бы, совсем далекими друг от друга явлениями.
Однако изъяны многих глобальных проектов не только в их антиэкологичности, но также в самой их масштабности.
С Земли — в космос
Непобедимые воины Александра Македонского в ужасе отступили, встретившись с сильными приливами в устье Инда. То же случилось и с легионами Цезаря на берегах Атлантики.
Приливы, землетрясения, вулканы, молнии — стихийные силы Природы всегда были пугалом для человека. И немудрено: только на образование рядового урагана Природа затрачивает десятки тысяч миллионов киловатт!
К числу тех проявлений природной мощи, о которых люди сохраняют самые тяжелые воспоминания, относятся землетрясения. Наиболее разрушительное землетрясение с магнитудой 8,5 произошло 1 сентября 1923 года в Токио — Иокогаме. Было разрушено или сгорело 550 000 домов, 150 000 человек погибли или пропали без вести.
Нетрудно оценить порядок выделившейся при этом землетрясении энергии—1024 эрг. Много, безусловно. Но, оказывается, та же энергия высвобождается и при взрыве термоядерной бомбы! Как видим, человек научился создавать катастрофы тех же размеров, что и самые могучие силы Природы.
Ю24 эрг! Цифра, эквивалентная примерно 50 миллиардам киловатт-часов энергии — объем мирового энергопотребления в течение суток!
Возьмем теперь хотя бы молнию — это проявление «божественного гнева». В тот момент, когда молния ударяет в антенну, можно с помощью небольших ферромагнитных регистраторов измерить силу протекающего в ней тока.
Измерили. Пока рекордная величина тока — 100 000 ампер. Внушительно! Однако на некоторых заводах в электролизных ваннах при получении алюминия используется ток такой же силы.
Правда, при контакте молнии с антенной возникает напряжение, достигающее 25 миллионов вольт, против всего лишь нескольких вольт   в   электролизной   ванне. Мощность разряда молнии — порядка одного миллиарда киловатт: примерно столько же дают в сумме все электрические мощности землян. Но в силу исключительной кратковременности разряда (1—2 микросекунды) выделяемая молнией энергия на удивление мала: что-то около одного киловатт-часа.
Сколько же слухов, ужасов и легенд порождено столь мизерной энергией!..
Видимо, поэтам и писателям, воспевающим буйство и величие сил природы, придется перестраиваться: говорить о замечательном равенстве энергии, добываемой человечеством, и энергии природных явлений, а не об их пугающем несоответствии.
В последние десятилетия человек обрел могущество, уже сравнимое с могуществом сил природы. Из лилипута, служителя в лавке с хрустальной посудой, человек вдруг превратился в Гулливера, любое неловкое движение которого может разрушить, причем невосстановимо, всю гармонию, созданную природой за миллиарды лет.
Советский астрофизик член-корреспондент Академии наук СССР Н. Кардашев выделяет три этапа технологического развития цивилизации. По уровню ежесекундного потребления энергии:
4х1019 эрг — это то, чем человечество располагает сейчас;
4х1033 эрг — энергия звездного уровня: столько ее излучает наше солнце;
4х1044 эрг — энергия масштаба Галактики.
Конечно, ничто не может помешать человечеству стремиться ко все более высоким энергетическим рубежам. Принципиальных запретов нет. Но выдержат ли хрупкие плечи нашей планеты такие энергетические тяжести?
Энергии звездного уровня, не говоря уже о галактических, ну просто не «поместятся» на Земле! Но есть выход из этого противоречия. Более полувека назад пионер космонавтики К. Циолковский произнес такие пророческие слова: «Земля — колыбель разума. Но нельзя вечно жить в колыбели».
Да, колыбель становится тесновата! И сегодня, когда человек переступил порог второго десятилетия космического века, можно заглядывать и в более глубокое будущее. Сделал это писатель-фантаст Артур Кларк, он сказал: «Земля действительно наша колыбель, которую мы собираемся покинуть. А солнечная система будет нашим детским садом».
Вот в космосе, этом бескрайнем, безбрежном вместилище, человеку будут по плечу уже любые уровни энергии — и звездные и галактические.
Тот же Кларк считает: уже к 2010 году энергетические возможности человечества будут сопоставимы с энергоотдачей одной звезды. Проявления невероятных по силе источников энергии астрономы наблюдают во внутренних сферах  некоторых  галактик,  на  квазарах...
Космос преизобилен энергией. Это и солнечная радиация любой напряженности, не ослабленная атмосферой, и космические лучи, и космические тела с их колоссальной кинетической энергией. Можно использовать и космические перепады температур от абсолютного нуля до нескольких тысяч градусов, космический магнетизм.
Из космоса к нам проникают частицы столь мощных энергий, что они в триллионы раз превышают энергии, которые ученые получают на самых мощных ускорителях Земли (Исследователи уже подбираются к энергиям частиц в тысячи Гэв, но не забудем, что, по подсчетам американцев, каждый Гэв ускорения стоит около одного миллиона долларов!)
В деле, так сказать, утилизации космоса в ход может пойти и экзотика. Например, «солнечные паруса», использующие «солнечный ветер»; другими словами, давление солнечного излучения.
Оно очень мало (10-6 килограмма на квадратный метр), но при площади паруса в 1 квадратный километр (а просторы космоса бескрайни!) солнечное давление уже способно придать космическому кораблю весом в 1 тонну довольно значительное ускорение — в 1 см/сек2.
А роль паруса будет играть экран из частиц, удерживаемых магнитным полем и связанных с космическим кораблем.
«Антиметеориты»
Космос, его бескрайность, стихийность его сил — эти качества давно дразнят воображение ученых — ловцов энергии. Совсем недавно на страницах журнала «Успехи физических наук» П. Капица (уж сколько раз мы упоминали это славное имя!), обсуждая энергетические проблемы, неожиданно назвал в качестве потенциального топлива... антивещество. Фантазия? Фантастика? А может, наше энергетическое завтра? А почему бы нет?! Ведь антивещество — это же идеальное   горючее!
Существование антивещества давно доказано экспериментально, его получают в ускорителях, правда, в ультрамалых дозах: в виде отдельных ядер. (В 1969 году на Серпуховском ускорителе советские физики зарегистрировали ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и одного антинейтрона.)
Ученые полагают: когда создавалась наша вселенная, то могла возникнуть (простые соображения симметрии) и другая, ей равновеликая, но вот только состоящая целиком из антивещества. Как они могут взаимно сосуществовать, сказать трудно. Ведь известно, что при соприкосновении вещества и антивещества оба они аннигилируют, исчезают, превращаясь в излучение. Пользуясь знаменитым соотношением Эйнштейна об эквивалентности энергии и массы, нетрудно прикинуть, что при аннигиляции одного грамма Вещества возникает такая же энергия, Какую можно получить (три сжигании 10000 тонн каменного угля!
Таким образом, продолжая подобные расчеты, легко установить, что одной тонны антивещества (а вещество у нас всегда под рукой!) было бы вполне достаточно, чтобы сейчас обеспечить на год энергией весь земной шар.
И вот сюрприз: в 1979 году группе американских физиков удалось зарегистрировать наличие «природных» антипротонов. Их «принесли» космические лучи. (Воздушные шары подняли на высоту 36 километров примерно две тонны сложнейшей аппаратуры.)
Значит ли это, что нам «посылают весть» далекие «антимиры»? Если это так, то, полагают, антивещество в виде отдельных метеоритов могло бы проникнуть из антимира в наше космическое пространство, ибо оно крайне разрежено. Столкновения с атомами здесь редкость, и антивещество не смогло бы аннигилировать полностью.
Улавливая с помощью спутников эти «антиметеориты» и доставляя их на Землю (в этом соль рассуждения П. Капицы), мы получили бы мощный источник энергии.
И вновь вопросы. Как обнаружить «антиметеориты», отличить их от обычного вещества? Как доставить на Землю, чтобы они при этом ни с чем не соприкасались (иначе взрыв!)?.. Возможно, что все эти задачи вообще неразрешимы. Однако тут не следует проявлять категоричности: жизнь учит нас быть осторожными в суждениях.
Энергетическая  лестница
Заимствование энергии из космоса неизбежно, но это все ж отдаленное наше будущее. А что сейчас? Какие энергии здесь, на Земле, уже доступны человеку или будут доступны завтра?
Промышленное значение той или иной формы энергии в значительной степени определяется концентрацией, в которой ее можно накапливать и высвобождать. Имеющиеся при этом различия достигают фантастических размеров: энергия, высвобождаемая в ядерном реакторе из одного грамма урана-235, равна энергии, которую можно накопить в тысячах тонн электростатических конденсаторов или, точнее, в десять тысяч миллиардов (1013) раз большей массе!
Различия в концентрированности энергии определяют и сферу применения. Так, в автомобилях используется химическая энергия жидкого топлива. Тогда как, скажем, для внутризаводского транспорта пойдет и кинетическая энергия маховиков или аккумуляторный привод.
Посмотрим же теперь, каков спектр доступных человеку энергий. В приводимой ниже таблице указаны величины высвобождаемой энергии в ватт-часах на килограмм массы.

Перед нами не просто список всевозможных видов энергии. Это и путь покорения человеком энергии. Путь «вверх» по энергетической лестнице, которая в то же время ведет и «вниз». Ибо для завоевания все больших энергий человек вынужден все глубже погружаться в микромир, в царство микроскопических объектов — первокирпичиков материи.
Физики извлекают энергии из все меньших и меньших объектов пространства.
В областях с размерами 10-5—10-7 сантиметра исследователи проникли в мир кристаллов, атомов — возникла кинетическая теория материи. Затем, перешагнув еще один-два порядка, человек открыл царство атомных явлений, управляемых квантовой теорией.
На расстояниях 10-11 сантиметра ученых подстерегала неожиданность: при этих энергиях стало возможным рождение светом электронно-позитронных пар, энергия превращалась в вещество! Эти явления уже описываются релятивистской квантовой теорией Дирака.
На расстояниях 10-13 сантиметра (размеры ядер) возникла физика атомного ядра. А с расстояний 10-14—10-15 сантиметра (порядки энергий, достигнутых на Серпуховском ускорителе) началась физика адронов и их возбужденных состояний — раскрылся мир так называемых «странных частиц».
А сейчас физики замахнулись уже на объекты с характерным масштабом в 10~17 сантиметра. Проникнуть в эти глубины поможет проектируемый в СССР рядом институтов ускорительно-накопительный комплекс Института физики высоких энергий. Он будет также построен под Серпуховом.
В этом колоссе (длина ускорительного магнитного кольца нового протонного синхротрона равна 19 километрам! Это больше, чем лента Садового кольца в Москве) физики надеются достичь энергий в 3000 Гэв (миллиардов электрон-вольт).
Любопытно, что построенный немногим более десяти лет назад старый Серпуховский ускоритель давал пучок протонов с энергией всего в 76 Гэв. Так вот этот «ветеран» для нового гораздо более мощного собрата будет служить лишь инжектором частиц, всего лишь вспомогательным устройством.
Зачем же нужно строить эти пирамиды XX века? Стоит ли столь крупная игра свеч? Не есть ли это просто способ удовлетворить ненасытную любознательность ученых? Нет, физики хотят отыскать в микромире источники новых, еще более мощных энергий.
Один лишь довод. На заре своего развития физика элементарных частиц, установив, казалось бы, второстепенный с теоретической точки зрения факт, что при делении ядра урана испускается более двух нейтронов, породила  всю современную ядерную энергетику!
Дефект  масс
Все перечисленные выше виды энергии различаются порядком. Но есть между ними и нечто общее — способ извлечения энергии. Принцип один: превращать в энергию так называемый «дефект масс».
Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет точно в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины, и снова получим яблоко. Но не может такого быть, чтобы две половинки весили больше целого яблока.
В макромире действительно такого быть не может, а вот в мире элементарных частиц.,. Разнимая материю на все более мелкие части, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы.
Оказалось: масса целой частицы всегда меньше суммы масс частиц, ее составляющих, это и есть дефект масс. Впрочем, физиков это не удивило. Еще Эйнштейн доказал, что масса и энергия эквивалентны. Значит, дефект массы просто восполняется выделением соответствующего количества энергии, и все получается, так сказать, баш на баш.
Но эффект этот крайне важен для практики, для извлечения из материи энергии. Наибольший дефект масс имеет место при термоядерном синтезе, 'именно поэтому с термоядом энергетики связывают такие большие надежды.
Но вот мы подходим к полному превращению массы в энергию. (Этот процесс, например, реализуется при аннигиляции вещества и антивещества.) Что это — абсолютный предел? Потолок, выше которого не прыгнешь? Дверь, ключа к которой нет?..
Вновь обратимся к физику. А он говорит: мы стоим на пороге нового прорыва в область еще больших энергий.
В истории естествознания,  рассказывает он, в свое время было открыто три «мира» или области энергий. Это — в порядке возрастания энергии — мир атомов, мир атомных ядер и мир известных элементарных частиц с массами вблизи массы протона.
Небольшое отступление. Двадцать веков отделяют нас от науки древнего мира. Большой срок. Однако в понимании самых общих свойств природы мы в каком-то смысле недалеко ушли от древних. Античные греки полагали: все в мире слагается из четырех сущностей, четырех стихий — земли, воды, воздуха и огня, не связанных меж собой каким-то единством.
Современней физик также «исповедует» четыре стихии, четыре поля сил — сильного (ядерного), электромагнитного, слабого и гравитационного. Это своеобразные «стихии» физики XX века. Ученые, конечно, понимают, что должна быть глубокая связь между этими стихиями, но, увы, уловить ее пока не могут.
Так вот, в последних экспериментах на ускорителях физики настойчиво пытаются связать электромагнитные и слабые взаимодействия. Теоретики сейчас высказывают мысль о существовании тут новой области энергий — примерно в 50 раз более высоких, чем для известных уже элементарных частиц.
Что даст практике открытие этой области энергий, сказать трудно. Ибо человек вступает здесь в странный, загадочный мир, где обычные представления и мерки неприменимы.
Проиллюстрируем эту мысль одним важным примером.
Кварки
С десяток лет назад в словаре физики элементарных частиц появилось слово «кварк». Слово это заимствовано из фантастического романа ирландского писателя Джойса «Поминки по Финнегану» (там оно означает нечто дикое, невообразимое, немыслимое). И не случайно: гипотетические частицы — кварки — обладают свойствами, которые не смог бы придумать и самый изощренный фантаст.
Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться: все вещества состоят из молекул. Через 200 лет человек открыл атомы. 20 лет спустя узнал: атом — это набор элементарных частиц: протонов, нейтронов (их вместе величают нуклонами, они состав ляют ядро атома) и электронов. Смысл таблицы Менделеева стал понятен. Казалось бы, дошли до истоков, до первоматерии.
Однако, как это часто случается в храме Науки, в разгар торжества начались «неприятности». В начале 50-х годов нашего столетия, орудуя мощными ускорителями, физики-экспериментаторы начали обнаруживать все новые и новые ядерные частицы. Их стали обозначать просто буквами. Так возникли А-частицы, ?-частицы и многие другие. Чтобы не запутаться, все эти частицы окрестили словом «гипероны». А для всех сильно взаимодействующих (ядерные силы) частиц — мезонов, нуклонов и гиперонов — придумали общее название: адроны.
Их набралось уже около двух сотен: больше, чем элементов в таблице Менделеева. Было ясно: с эпитетом «элементарные» пора распроститься.
За дело взялись физики-теоретики. Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, они принялись раскладывать «адронные пасьянсы». Обнаружилось: адроны могут быть сгруппированы в семейства — супермультиплеты, близкие по своим основным свойствам. Нашлась и математика, «узаконившая» подобную классификацию. Она допускала существование всевозможных «наборов частиц»: из одной, трех, шести, восьми, десяти и так далее, физики же наблюдали лишь синглеты (одна), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Почему такая разница в «наборах»?
В 1963 году одновременно и независимо теоретики — американский (М. Гелл-Манн) и австрийский (Г. Цвейг в отличие от Гелл-Манна, введшего слово «кварк», он называл их «тузами») высказали гипотезу о существовании кварков — трех фундаментальных частиц, различными комбинациями которых и являются все адроны.
Кварки должны были обладать необычными свойствами, и прежде всего дробными зарядами (до этих пор считалось, что наименьшие заряды у электрона и позитрона — минус и плюс единица). А кварки имели заряды: один +2/3, два других -1/3 (так, к примеру, протон есть совокупность двух кварков с зарядом плюс 2/з и одного с зарядом минус 1/3, что и дает в сумме нужную единицу).
Кварки  вначале были встречены  в штыки.  Однако теория кварков предсказывала существование нового адрона (омега-минус-гиперона), который вскоре и был обнаружен. Успех был полным. В 1969 году Гелл-Манн стал нобелевским лауреатом.
Физики бросились искать кварки. Искали в океанах, где вроде бы за тысячелетия должны были они накопиться, искали в метеоритах, космических лучах. Тщетно. В 1967 году под Серпуховом в нашей стране был пущен крупнейший тогда в мире ускоритель. Возможности поисков кварков значительно возросли. Но обнаружить следы кварков опять не удалось.
Раздались голоса, что кварки всего лишь удобная абстракция, что, возможно, в 2000 году на вопрос, что такое кварк, физик лишь недоуменно пожмет плечами: теория кварков к тому времени будет забыта.
Родилось, окрепло и другое предположение — кварки принципиально нельзя обнаружить. Нуклоны и гипероны (вместе они называются барионами) построены из трех кварков, мезоны — из двух (кварка и антикварка). Так вот, скажем, мезоны чем-то похожи на магнит, говорили сторонники ненаблюдаемости кварков. А любая попытка отделить северный магнитный полюс от южного обречена на провал. Разрежьте магнит на две части: каждая станет самостоятельным магнитом со своими полюсами. Так и любая попытка разъединить компоненты мезона ведет к образованию новых кварка и антикварка: вместо одного мезона мы получим пару — и только!
Есть и третья версия. Возможно, энергий, достигаемых на современных ускорителях, просто недостаточно для рождения свободных кварков.
Никогда не говори «никогда»
О кварках можно рассказывать бесконечно. Есть кварки красные, желтые, голубые .. Но выбор цветов .и само понятие цвета — вещи довольно условные. Просто оказалось, что кварки разнятся на «нечто», что за неимением у физиков готовых этикеток и в погоне за яркостью образа нарекли «цветом».
Чистая условность. При желании это «нечто» можно было бы пометить не цветом, а, например, вкусом, и говорить о сладких, соленых и горьких кварках. Но у нас к кваркам сейчас другой интерес: хотелось бы указать на возможную связь кварков с энергетикой будущего.
Дело вот в чем: каждый протон, как полагают, состоит из трех кварков. Но каждый кварк по массе (фантастика!)  раз в десять тяжелее протона.
Странности странного микромира: тут слон может залезть в кастрюлю! Часть может быть по массе больше целого. «Толстые» кварки запросто умещаются в «чреве» «худенького» протона.
Итак, вновь дефект масс: если три свободных кварка объединятся в протоне, выделится громадная энергия. Она в тысячи раз больше того, что обещает энергетика термоядерная.
Подобной энергии было бы достаточно для снаряжения межзвездных экспедиций. Вероятно, именно с подобными процессами сталкиваются астрономы при наблюдении взрывающихся галактик и других грандиозных явлений в космосе.
Элементарные подсчеты показывают, что, когда три кварка сливаются в протоне, 95 процентов их массы «исчезает» — превращается в энергию. И «утилизация» одного грамма кварков позволила бы высвободить громадное количество энергии, эквивалентное сжиганию 2500 тонн нефти.
Замечательные перспективы для энергетики, но нам возражают: кварки существуют только внутри адронов, в свободном состоянии они быть не могут. Это их фундаментальное свойство. Их уникальность как раз в том, что человек впервые открыл микрообъекты, наблюдать которые в чистом, изолированном, что ли, виде принципиально нельзя!
Так-то это, может быть, и так, однако никогда не говори «никогда». Эту заповедь следовало бы уже внушать школьникам. «Синтез каучука неосуществим» — говорили. «Никогда человечество не побывает на Луне» — тоже было. «Использование атомной энергии невозможно»...
История науки помнит разные запреты. Никогда, никогда, никогда... А наука развивалась, и запреты падали один за другим.
Ситуация с кварками очень напоминает то, что уже случилось в науке в начале нашего века. Тогда было показано: радий выделяет тепло. Если бы грамм радия распался целиком, на наших глазах, выделилось бы около 2 тысяч миллионов калорий. В 360 тысяч раз больше, чем дало бы сгорание грамма угля. Но должна пройти история человечества от падения Римской империи до наших дней, пока грамм радия распадется наполовину. Можно ли пользоваться таким источником энергии? Очевидно, нельзя. Очевидно, надо не ждать, пока ядро распадется само, а научиться его разбивать. Но все попытки ученых начала века вмешаться в процесс радиоактивного распада неизменно кончались неудачей. (Как тогда ликовали скептики!)
Но в 1919 году великий Резерфорд смог разбить атомное ядро. Когда в ядра попадали альфа-частицы, выделялась (сразу!) большая энергия. Беда только: событие это было довольно редким: число попаданий при атомной «бомбежке» было мало. В результате энергии тратилось гораздо больше, чем извлекалось. Дело было нерентабельным.
Чем кончилась эта история, знает каждый. АЭС построены, и их число в мире неуклонно растет. И это один из доводов, почему не стоит хоронить надежду, что физики когда-нибудь научатся извлекать энергию, «спрятанную» в кварках.
«Пылесосы»  вселенной
А теперь поговорим еще об одном необычном феномене, который в будущем, как и кварки, может стать энергетически значимым, поговорим о «черных дырах».
Прежде всего отметим, что «черные дыры» — это всего лишь одно из необычных следствий теории относительности Эйнштейна. И хотя объекты эти кажутся столь экзотическими, физики почти не сомневаются в их существовании. «Черные дыры» можно назвать космическими «пылесосами». В них все и вся безвозвратно исчезает. Отсюда — «дыра», бездонная яма... А черная она оттого, что даже лучи света не могут вырваться из ее чрева: дыра буквально невидима — черна!
«Черные дыры» возникают, когда умирающая звезда коллапсирует (сжимается) до такого плотного состояния, что ее размеры оказываются ничтожными, а гравитационное притяжение столь мощным (оно обратно пропорционально размерам звезды-дыры и прямо пропорционально ее массе), что ничто не может его преодолеть. По мере того как масса вещества сосредоточивается во все меньшем объеме, сжатие   нарастает   все больше и больше. Невозможно представить, что могло бы остановить этот безудержный процесс.
Получается, так сказать, гравитационная ловушка для материи, «капкан», преодолеть тиски которого нет никаких сил.
В последние годы ученые упорно ищут «черные дыры» и, видимо, уже нашли. И сделали это советские астрономы и математики. По предложению советского академика Я. Зельдовича, «черные дыры» искали в системах двойных звезд. Логика поиска такова: если обычная звезда и «черная дыра» образуют пару, вращаясь вокруг общего центра, то могучее притяжение «черной дыры» будет вытаскивать вещество из своей соседки. Эти клочья материи должны испускать излучение, обладающее рядом характерных черт.
Предвидение физика-теоретика несколько лет назад подтвердили сотрудники Государственного астрономического института имени Штернберга и Института прикладной математики Академии наук СССР. «Черные дыры» обнаружили в созвездии Лебедя, где много двойных звезд: Лебедь Х-1, Лебедь Х-2 и другие. Ряд примет неопровержимо свидетельствует: «черные дыры» наконец-то открыты! Но вот что удивительно: хотя «черные дыры» обнаружены в космосе дальнем, куда добраться нелегко, уже делаются попытки (правда, пока мысленные)  использовать их как источник энергии!
В конце 1972 года в солидных научных журналах замелькали странные заголовки статей: «Опускание массы в гравитационную яму»... «К опусканию веревки в «черную дыру»...
Почти одновременно английский математик Р. Пенроуз и американский физик Дж. Бекенштейн высказали простую идею. Если со звездолета (он облетает «черную дыру» по достаточно удаленной, а потому и безопасной орбите) бросить в направлении «черной дыры» камень, то под действием могучего притяжения камень будет падать все быстрее и быстрее, пока при скорости, близкой к световой, не исчезнет в «дыре».
Осталось немного. Привязываем к камню конец веревки, намотанной на вал динамомашины, и вот при падении камня начнет вырабатываться совершенно бесплатная электроэнергия.
Прием, предложенный теоретиками для понимания физического явления, так называемый «мысленный эксперимент» ненов. Еще в прошлом веке великий Максвелл, чтобы изучить законы термодинамики, придумал маленького чертика («демон Максвелла»), который мог бы сортировать отдельные молекулы и атомы. Но энергетика — это не шутки! Больной вопрос человечества! Неожиданный кульбит теоретиков подвергся вдруг серьезной разработке учеными с более практической жилкой.
Вскоре появляется статья профессора Ванкуверского (Канада) университета Дж. Шелтона. Он занялся подсчетом той энергии, которую можно было бы получить, опуская камень в «черную дыру».
Результаты были ободряющими: выделится, оказывается, вся (100 процентов!) энергия, заключенная в массе бросаемого в «черную дыру» груза. Как если бы произошла полная аннигиляция его массы!
Шелтона вскоре поправили люди с более развитым, чем у профессора, инженерным чутьем. Г. Гиббоне из Кембриджа (Англия), рассуждая как практик, показал: во-первых, часть выделяющейся энергии (37 процентов) потратится на натяжение веревки, а во-вторых, по мере опускания груза, притяжение «черной дыры» будет возрастать. Поэтому, как бы прочна веревка ни была, рано или поздно она оборвется. Даже самые прочные тросы из стальной рояльной проволоки. И поэтому выделяемая энергия (расчеты Гиббонса) должна быть в тысячу миллиардов раз меньше, чем вычислил Шелтон. Но ведь эта малая доля берется от гигантской величины! Для землян и она представляла бы существенный интерес.
Тема «энергетика и «черные дыры» на этом, однако, не закончилась. Правда, продолжалась она уже в иной плоскости. Дело в том, что согласно одной из космогонических гипотез наша вселенная, возможно, порождена «черной дырой», взорвавшейся по неизвестным причинам 10—12 миллиардов лет назад. Звезды и галактики, образовавшиеся в результате этого катаклизма, до сих пор разбегаются от эпицентра взрыва. Раз так, то вполне вероятно, что какие-то осколки этой первоначальной «Черной Дыры» остались в сверхсжатом состоянии — этакие малюсенькие «черные дырочки»! — и разлетаются вместе с обычным веществом.
Подсчитана даже плотность, с которой эти остаточные «черные дыры» распределены в пространстве — одна «черная дыра» на куб со стороной в 1000 километров. В объеме земного шара может находиться несколько сот «черных дыр». Маленькие «черные дыры» способны затеряться где угодно — в земле, в воздухе, в океанах. Если все это действительно так и человек вдруг обнаружит «черные дыры» не в космосе, а у себя на Земле, то могут возникнуть уже вполне утилитарные вопросы: как использовать ту колоссальную энергию, которая сосредоточена в «черных дырах», как ее оттуда извлечь, и так далее...
Вероятные невероятности
Каменный век, бронзовый, железный — они длились тысячелетия. Век пара, кончающийся век двигателей внутреннего сгорания — тут дело пошло уже быстрее! А в последние десятилетия и вообще наблюдается какая-то чехарда из эпох: век электричества, век радио, пластмасс, кибернетики, генной инженерии...
Нет ничего удивительного, если в этой сумятице вскоре наступит век мезонов, век нейтрино, гравитонов, кварков, глюонов... Сейчас основной носитель энергии — электроны, завтра может быть водород, а что потом?
Все говорит за то, что мы, несомненно, находимся в начале новой эры, эры тончайшей техники, в которой человек будет манипулировать все более мелкими единицами, вплоть до атомных и субатомных размеров.
Такая техника еще находится в колыбели. Но несомненно, что физика высоких энергий (помянем добрым словом ускорители!), изучая крохотные расстояния и мельчайшие интервалы времени, будет источником новых идей и новых руководящих принципов, и они дадут совершенно новую технологию.
Только один пример.
Уже почти 30 лет физики штурмуют термоядерный синтез. Температуру ионов удалось довести до многих десятков миллионов градусов. Осталось повысить плотность плазмы и увеличить время ее удержания примерно в 40 раз. Специалисты обещают сделать это лет через 10—20.
Такой путь к термоядерному синтезу можно сравнить с лобовой атакой. А нет ли обходных путей? Есть! Катаклизм реакций ядерного синтеза с помощью мю-мезонов.
Долго и сложно рассказывать, как эта довольно старая (с 1949 г.) идея постепенно прокладывала себе дорогу. Укажем лишь на ее преимущества перед «классическим термоядом».
Тут, оказывается, не нужны температуры в десятки миллионов градусов, не нужны и хитроумные магнитные поля. Мезонный реактор представляет собой просто сосуд с газом — смесью дейтерия и трития, в который впрыскиваются мезоны.
Размеры сосуда зависят от давления газа, и при давлении в десятки атмосфер диаметр реактора составит около десяти сантиметров.
Карманный реактор! На его основе можно, к примеру, сделать термоядерный автомобильный двигатель!..
Трудности «холодного термояда»? Только в том, что пока нет дешевого источника мю-мезонов. И он должен быть не только экономичным, но, главное, компактным: не то что используемые сейчас гиганты-ускорители. (Минимальная энергия, необходимая для получения мю-мезонов — 100 МэВ).
Мезонные реакторы строить рано, но надо помнить: все революционные идеи обычно проходят три стадии:

1. «Это  сумасшедшие  мечты  и  пустая  трата    времени»;
2. «Собственно, это осуществимо, но стоит ли овчинка выделки?» (как раз такой этап переживает сейчас идея «холодного термояда»);

3. «Я всегда утверждал и всегда буду утверждать, что это блестящая мысль!»
Трудно говорить о будущем энергетики. Ибо энергетика быстро вовлекает в свою орбиту все самые новейшие завоевания науки и техники. Скажем, почему бы основой энергетики будущего не стать... вакууму? Ведь вакуум — это отнюдь не «ничто», а, как утверждают ученые, некая динамическая субстанция с очень сложными физическими свойствами.
Удивительно, но об этом догадывался еще Аристотель. Он писал: «...Надо признать, что дело физика — рассмотреть вопрос о пустоте, существует она или нет и в каком виде существует или что она такое...»
Ему много веков спустя вторил (о эта интуиция великих умов!) Р. Декарт: «...Все пространства, которые обычно считают пустыми и в которых не чувствуется ничего, кроме воздуха, на самом деле так же наполнены, и притом той же самой материей, как и те пространства, где мы чувствуем другие тела...»
Этот перечень цитат, где прозревается грядущее научное и практическое значение вакуума, можно было бы легко продолжить, сославшись на И. Ньютона, Д. Менделеева и других ученых.
Да, корифеи науки не заблуждались: физический вакуум становится сейчас непосредственным объектом многих исследований физиков во всех концах мира.
Но прежде чем исследовать вакуум, его надо создать! И не просто откачать воздух, удалить даже следы газов, необходимо, чтобы в экспериментальной установке не было никаких реальных частиц.
Хорошо, допустим, мы «держим в руках» уголок мира, где нет ни фотонов, ни пионов, ни пи-мезонов, — словом, нет ничего. Частиц нет, но поля остались! Согласно законам квантовой механики не может быть во вселенной участка, где нет полей.
Итак, мы достигли желаемого: реальных, долгоживущих (хотя бы в масштабах микромира) частиц в физическом вакууме нет. Однако раз есть поле, пусть без частиц, то оно должно колебаться. А при этих колебаниях рождаются и тут же исчезают кванты — те самые, которых, по определению, нет.
Колеблется электромагнитное поле — рождаются и пропадают фотоны. Колеблется электронно-позитронное поле — появляются и исчезают электроны и позитроны. И вообще все виды частиц, соответствующих любым полям.
И вот физический вакуум предстал перед нами отнюдь не пустым, но заполненным частицами особого рода, неполноправными, гибнущими (исчезающими) сразу после рождения. Одновременно и существующими и нет, воистину эфемерными.
Такие квазичастицы в физике носят название виртуальных. Их в принципе вроде бы невозможно зафиксировать в вакууме. Но — опять парадокс! — эти призраки микромира, почти фантомы, тем не менее могут взаимодействовать с частицами реальными, настоящими, влиять на их поведение.
Вот оно «окошко» в вакуум, в это загадочное Нечто по имени Ничто!
Сейчас физики исследуют вакуум на современных ускорителях. В них элементарные частицы разгоняются по тоннелям, в которых создается высокий вакуум. Подобные эксперименты начаты сравнительно недавно, но уже удается заглянуть (правда, пока больше мысленно)  в открывающиеся тут «дали» микромира.
Если проникнуть в глубины микромира еще дальше — на 20 порядков меньше масштабов, доступных сейчас физике высоких энергий, то там пространство-время уже имеют сложную топологическую и геометрическую «мелкозернистую» структуру с невиданными свойствами.
Плотность энергий там фантастическая: в одном кубическом микроне этой среды содержится энергии столько, что ее хватило бы на образование многих и многих триллионов галактик!
Почему же эти чудовища себя не проявляют? Потому что при таких плотностях энергии и на таких малых расстояниях гравитационные силы становятся чрезвычайно мощными: они искривляют пространство-время и как бы «запечатывают» эту энергию. Так что стороннему человеку, который наблюдает эту «мелкозернистую» структуру среды, все кажется пустым пространством, то есть вакуумом, в обычном понимании этого слова.
Квантовая теория гравитации, таким образом, утверждает, что вакуум обладает бесконечной внутренней энергией, «запертой на замок» колоссальными силами внутреннего притяжения. «Холодный термояд», антивещество, кварки, «черные дыры», вакуум... что еще? Что готовит будущее энергетике и нам? Если, как говорится, доживем, то и увидим! Сейчас ясно лишь одно: творческие силы человека безграничны.
В этом легко убедиться. Радар, реактивный двигатель, атомный реактор, баллистические ракеты... Каждое из этих изобретений изменило наш мир. А ведь все эти замечательные новшества были созданы за какие-то шесть лет! В жаркий и стремительный период, когда гремела вторая мировая война. Стимулом к их созданию в столь рекордные сроки явилась Большая Необходимость.
Несомненно, что и энергетические трудности, стимулируя мысль ученых, изобретателей и инженеров, ускорят переход нашей цивилизации на новые, еще более высокие энергетические рубежи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.
Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину.
Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины  требовали  более  калорийного  «корма».
Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти. И вот, как в сказке, появились самолеты, забегали автомобили, иным стал флот, активнее стала развиваться промышленность.
А между тем нефти в недрах земли во много раз меньше, чем каменного угля. Значит, дело не в запасах, а в том, насколько экономична добыча того или иного топлива, его транспортировка к потребителю, сколь удобно его использование.
И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.
Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.
Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.
А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю...
Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться, «воинствующая» линия энергетики.  (Часто она шла рука об руку с военными приложениями: атомная бомба, скажем, водородная.)
В погоне за избытком энергии (увы, все ускользающим!) человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.
Но времена изменились. Сейчас, в конце XX века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая». Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.
Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики (этой основной магистрали!) получит широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.
Яркий пример тому — быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, за висит от нее.
Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, — это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.
Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед.