В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тепла и массы — прекрасная тепловая машина без шестеренок и рычагов, в каком-то смысле машина вечная, работающая надежно и эффективно. О некоторых профессиях машины «тепловая труба» рассказывает руководитель лаборатории низких температур Леонард Леонидович Васильев:

— Первые тепловые трубы были запатентованы сравнительно недавно, в сороковых годах, и долгое время совершенствовались в основном как непревзойденные проводники тепла. Именно непревзойденные, их даже назвали сверхпроводниками. Вот типичный пример, доказывающий, что это звание заслуженное: через тепловую трубу диаметром 1 см можно прогнать тепловую мощность порядка 10 кВт при разности температур на концах трубы всего в 5 °C; чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температур почти 150 000 °C.

Тепловые трубы уже сейчас применяются довольно широко, их можно встретить на космических аппаратах, в ядерных реакторах, криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения двигателей, утилизации тепла, сверхглубинного бурения, стабилизации грунта в условиях вечной мерзлоты. Немало интересных дел намечено для тепловых труб и в технике будущего. Они, например, смогут отбирать тепло у жидкого лития в термоядерных установках, участвовать в добывании тепла из глубин земли.

Однако если взглянуть на дело шире, то окажется, что тепловая труба — это не только теплопроводник, что это есть некий аппарат, в котором под действием небольших температурных перепадов происходит активное движение массы и преобразование энергии — важнейшие процессы любой работающей машины. Появились эти аппараты с замкнутыми испарительно-конденсационными циклами давно, семейство их довольно велико (в него, кстати, входит широко известная кастрюля-скороварка), и сейчас эти аппараты начали осваивать много новых интересных профессий. На их основе, например, создаются МГД-генераторы — теплоносителем в тепловой трубе может быть жидкий металл, и если поместить трубу в магнитное поле, то в движущемся металле как на концах движущегося проводника наведется электродвижущая сила индукции. На основе тепловой трубы создаются новые типы лазеров; в трубах может выполняться механическая работа за счет энергии движущегося теплоносителя; изучение процессов в тепловой трубе позволяет понять некоторые физиологические механизмы; с помощью тепловых труб можно вести некоторые химические процессы, которые пока числятся в списке неосуществимых. Этот список уже сейчас можно было бы продолжить, хотя главные открытия и изобретения, наверное, все-таки впереди.

Тепловые трубы — один из примеров того, как внимание к сложной теплотехнической проблеме может дать очень важные научные и практические результаты.

Есть немало областей науки, с достижениями которых мы часто сталкиваемся, часто слышим о них: карманный компьютер и цветные телевизоры прекрасно пропагандируют в миллионных аудиториях прогресс электроники. А есть такие научные области, успехи которых не очень заметны широкой публике: электрическая лампочка в вашем доме светит, как и полсотни лет назад, и мало кто знает о тех изменениях, которые произошли за это время в самом производстве электричества (справка: в предвоенные годы пар, работающий на теплоэлектростанциях, имел такие параметры: температуру 400–425 °C, давление— 2,5–3 МПа; в послевоенные годы параметры пара подняли до 500–525 °C и 9 МПа; сейчас они подняты до 565–580 °C и 24 МПа; один из выигрышей — экономия 25–30 % топлива; это эквивалентно появлению в топливном балансе страны десятков «бесплатных» угольных шахт).

Работой больших масштабов, делами огромной важности занята скромная наука — теплотехника, много интересного делают и намечают сделать все ее главные направления, в том числе и те, что заняты исследованием и использованием процессов теплообмена.

Надежды связаны с нейтрино

Элементарная частица нейтрино, которую, как казалось раньше, нельзя экспериментально обнаружить, сегодня сама стала тонким инструментом в ядерных исследованиях.

Картина мира, которую рисовали себе естествоиспытатели всего несколько столетий назад, отличалась завидной простотой. Были, конечно, кое-какие неясности. Были. Но касались они в основном количественной стороны дела, некоторых подробностей, деталей. Главное же было привычным и поэтому понятным. Привычное основное свойство материи — масса, привычный основной вид процессов — механическое движение.

Первые удары по удобной механической модели мира были нанесены давно, но их истинный смысл осознали лишь в прошлом веке: оказалось, что есть у материи и другие свойства, столь же фундаментальные, как масса. Эти свойства назвали электрическим зарядом и магнетизмом, детально изучили их, только стали привыкать к гравитационно-электрическо-магнитному миру, как пришли новые неприятности. Обнаружилось еще одно фундаментальное свойство материи, которому дали скромное наименование — ядерные силы.

Но и на ядерных силах дело не кончилось. Исследуя ядро, физики одну за другой открывали такие подробности в устройстве нашего мира, о которых уже редко говорили «удивительное» или «непривычное», а чаще — «безумное».

Здесь было все. И калейдоскоп новых свойств материи, только успевай им названия придумывать: «барионный заряд», «гиперзаряд», «странность», «очарование»… И огромное множество новых ядерных частиц — сначала десятки, а потом уже и сотни — вместо еще недавно единственной тройки «электрон — протон — нейтрон»… И какие-то совершенно непостижимые процессы: рождение частиц из «пустоты», из вакуума, превращение одной частицы в несколько примерно таких же, рождение частиц, всегда закрученных в одну сторону, хотя по законам симметрии часть из них должна вращаться «туда», а часть «обратно» (не может же монета без всяких причин всегда падать гербом кверху).

Сегодня таких безумных фактов накопилось безумное множество. Им нет места в старой доброй физике, но и нет для них пока физики новой — по этим фактам не удается представить себе весь свод законов, которыми живет микромир, как, скажем, не удается угадать сложный рисунок по отдельным точкам, разбросанным на листе бумаги. Правда, трудами великих умов созданы изумительные теоретические построения типа «все могло бы быть так…». Но они обычно содержат очень много «если бы» и рисуют к тому же какие-то части, фрагменты картины. А кто знает, во что превратятся фрагменты, когда картина будет нарисована целиком.

Что же мешает выявить основные законы микромира, такие же общие и бесспорные, как, например, закон Ома? Может быть, этих законов вообще нет и царит в микромире анархия? Или еще не создан язык для их описания, язык, достаточно безумный для этого безумного мира? (Устройство цветного телевизора или компьютера трудно описать словами — для этого нужен язык электрических схем.) Или, может быть, для создания упорядоченной модели микромира еще нужно найти что-то самое важное, подобно тому как Копернику нужно было найти истинный центр нашей планетарной системы, чтобы избавиться от птолемеевых нагромождений?

Физики (и теоретики, и экспериментаторы) охотно будут обсуждать с вами эти вопросы. Охотно и обстоятельно. Но только недолго. У них сейчас для этого просто очень мало времени — у них очень много работы. В физике микромира вновь задули ветры оптимизма. Исследователи создают новые супервиртуозные теоретические модели, планируют и проводят новые ультрасложные эксперименты, пытаясь найти и объяснить новые факты, которых, может быть, как раз и не хватает для построения, как они говорят, красивой теории.

В последнее время надежда на успех в какой-то мере связана с так называемыми нейтринными экспериментами. Они проводятся на нескольких ускорителях, в том числе и на Серпуховской машине — на всемирно известном ускорителе Института физики высоких энергий, который находится в поселке Протвино под Серпуховом. В предельно упрощенном виде эти эксперименты выглядят так: атомные ядра бомбардируют потоком нейтрино и регистрируют, сколько каких ядерных реакций происходит под действием этой бомбардировки.

Уже в самом факте нейтринных экспериментов есть что-то удивительное, парадоксальное. За нейтрино издавна укрепилась репутация неуловимой частицы, теперь же оно само стало орудием исследований, инструментом экспериментаторов. Неуловимость нейтрино связана с тем, что у него нет электрического заряда и, как полагают некоторые теоретики, нет массы покоя (вопрос о массе, правда, пока остается открытым, но если она и есть, то чрезвычайно мала). Но главное — это удивительная инертность нейтрино, когда дело касается взаимодействий с другими частицами. Нейтрино беспрепятственно проходит через вещество, не взаимодействует с ним. Точнее, почти не взаимодействует — рано или поздно нейтрино все же натыкается на ядерную частицу, которая под действием удара чаще всего разрушается, распадается. Эти распады частиц, вызванные нейтринной бомбардировкой, представляют особый интерес: они могут дать исследователям информацию о ядерных процессах, которую никакими другими способами получить нельзя.