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

Аэротермооптика — это уже реальность. Она пока, правда, делает первые шаги, преодолевает разнообразные трудности (вот лишь три из них: сам световой луч, нагревая газ, меняет первоначальную его плотность; на газовую линзу покушается и гравитационное поле Земли; при быстром движении газа линзу могут испортить завихрения), однако уже выявилось немало потребителей газовых оптических систем. Это, например, световодные линии дальней связи, которые могли бы проложить практически неограниченное число телефонных и телевизионных каналов между городами и странами. В этих линиях информация передается с помощью световых сигналов, а не с помощью электрических, как в телефонных или телеграфных линиях связи. Свет идет по трубам, заполненным газом, или по пластмассовым световодам, выполняющим ту же роль, что телефонные или телеграфные провода.

Интересы аэротермооптики не ограничены газовыми линзами, и вот одно из подтверждений. Недавно в печати опубликованы расчеты так называемой «венерианской машины»: если к Венере под определенным углом направить острый луч лазера, то он, преломляясь в атмосфере планеты, может создать вокруг нее «вечное» световое кольцо, в которое можно вогнать большую энергию. Получится своего рода лазер с кольцевым резонатором, т. е. накопитель света, аналог конденсатора, который накапливает электрические заряды. «Венерианская машина» напоминает: у аэротермооптики неплохие перспективы в части принципиально новых приборов и процессов.

А теперь от этой экзотической профессии ТМО — экзотической хотя бы потому, что творения аэротермооптики имеют ту же физическую природу, что и мираж в пустыне, — мы перейдем к делу, на первый взгляд очень простому и прозаическому — к сушке. И сразу же обнаружим огромный диапазон областей техники и технологии, где применяется сушка. В процессе производства сушке подвергаются многие пищевые продукты, древесина, лекарственные препараты, микроскопические электронные приборы, автомобили, керамика, химические волокна, резина, строительные материалы, железобетонные изделия, ткани. Наконец, сушка входит важным элементом в технологию продукта, к которому все мы относимся с особым вниманием и имя которому Хлеб (справка: после обмолота зерно имеет влажность 24 %, а при неблагоприятных климатических условиях — еще больше; в хранилища должно поступать зерно с влажностью 14 %, а значит, необходима сушка зерна; масштабы этой операции нетрудно представить, вспомнив, что годовое производство зерна в стране составляет многие миллионы тонн; ежегодно зерносушилки должны убрать из зерна столько воды, что ею можно было бы заполнить плавательный бассейн площадью 10 км2). Слово имеет руководитель сушильно-термической лаборатории Павел Степанович Куц:

— Нынешние методы сушки совсем не похожи на привычную для всех нас операцию «Клади на солнышко, пусть сохнет». Современная сушка — это прежде всего изучение тонких механизмов тепло- и массопереноса, разработка теории сушки. Только на этой основе создается современная сушильная техника.

Приведу три примера. Первый относится к производству лекарств, к превращению пастообразных лекарственных смесей в плотные гранулы, из которых затем делаются таблетки. Для этого случая был разработан метод комбинированной сушки в падающе-кипящем слое: кусочки мягкой пасты, выдавленные из верхнего резервуара, сначала свободно падают вниз в вертикальной колонне, а навстречу им вверх идет поток теплого газа. Пока гранулы добираются до донной решетки, они слегка просушиваются, обрастают плотным сухим каркасом. Теперь уже в донной части аппарата можно производить интенсивную сушку в так называемом кипящем слое, перемешивая и прогревая гранулы потоками горячего газа (рис. 2). По этой схеме в институте был создан аппарат, который сейчас выпускается серийно и уже работает на ряде фармацевтических заводов. Приведу только три цифры, подтверждающие, что изучение тонких механизмов сушки с лихвой окупается — аппарат, о котором только что говорилось, работает в 4–8 раз быстрее своих предшественников и лучших зарубежных аппаратов; в нем в 2–2,5 раза снижены потери материала и в 3,5 раза уменьшена трудоемкость обслуживания.

Второй пример касается созданных в институте пневмогазовых зерносушилок производительностью от 2 до 50 т в час. В этих зерносушилках есть зоны контактного влагообмена между уже подсушенным и влажным зерном, нагрев зерна во взвешенном состоянии длится несколько секунд, он чередуется с охлаждением в плотном слое в течение примерно 10 мин. В итоге зерно высушивается быстро, равномерно, и, главное, в процессе сушки не снижаются его хлебопекарные качества, как это наблюдалось в сушилках старых образцов.

И наконец, пример третий. Интересная идея реализована в аппарате СВР (сушилка вихревая распылительная), предназначенном для сушки растворов, например для получения сухого молока. Здесь в цилиндрической камере создаются два встречных круговых потока: поток самого раствора и поток нагретого газа. Потоки эти сталкиваются, в камере образуются вихри, а в них идет интенсивный отбор влаги у раствора, и ее пары быстро удаляются. Вихревая сушка позволяет в 5—10 раз уменьшить размеры сушильных аппаратов, что должно понравиться не только технологам, но и строителям промышленных предприятий.

В этом рассказе промелькнуло упоминание о теплообмене в кипящем слое и можно было заметить, что «кипение» там никак не относилось к привычному процессу, с которым мы сталкиваемся при нагреве жидкостей. Да и вообще никакой жидкости в кипящем слое не было — там была лишь взвесь частиц, высушиваемые гранулы, пляшущие в потоках горячего газа. Но вот оказывается, что такая взвесь частиц обладает многими свойствами жидкости и даже носит название «псевдожидкость». Причем псевдожидкость обладает удивительными теплотехническими свойствами— твердые частицы в ней бурно перемешиваются и великолепно переносят тепло, во много раз лучше, чем такие прекрасные проводники тепла, как медь.

О некоторых свойствах псевдожидкостей и их использовании в теплотехнике рассказал руководитель лаборатории дисперсных систем, член-корреспондент АН БССР Сергей Степанович Забродский:

— Один из способов получения псевдожидкостей описал еще Дмитрий Иванович Менделеев, однако глубокое их изучение и практическое применение началось всего лет тридцать назад. Нетрудно в мысленном эксперименте пронаблюдать за процессом псевдоожижения, за получением псевдожидкости. На решетке или сетке находится сыпучий материал; снизу, из-под решетки, направляем вверх поток газа; постепенно увеличивая интенсивность потока, мы видим, как сыпучий материал приходит в движение, поверхность его выравнивается, напоминая водную гладь, наконец, сквозь толщу материала к поверхности прорываются газовые пузыри (рис. 3) и весь слой начинает бурлить, становится кипящим слоем. Вот эти бурлящие потоки частиц, перемещаемые и перемешиваемые потоками газа, — это как раз и есть псевдожидкость. О том, что дает создание псевдожидкости, заполнение газового потока частицами, говорит такой, например, факт: псевдожидкость, омывающая какую-либо деталь со скромной скоростью 1 м/с, осуществляет теплообмен столь же эффективно, как чистый газ, движущийся со сверхзвуковой скоростью, скажем 500 или даже 1000 м/с.

Псевдоожижение с равным успехом используется и для передачи тепла, и для передачи холода. При этом теплоноситель может работать, так сказать, в разных режимах: его можно, например, быстро перебрасывать по трубам, можно остановить и ссыпать в определенное место, если это понадобится, для какой-либо переработки.

Чтобы понять поведение столь сложной термодинамической системы, как псевдожидкость, приходится привлекать не только теплотехнику, но и гидродинамику; учитывать процессы случайные и строго детерминированные; уделять должное внимание всем механизмам теплопередачи, включая излучение; исследовать такие непривычные ситуации, как импульсный нагрев или движение однородной жидкости с газовыми пузырями.

Нужно, однако, сказать, что все затраты на глубокое изучение псевдожидкостей уже сейчас окупаются, а в будущем, можно ожидать, окупятся еще в большей степени. В качестве примера назову проблему, над которой уже давно думают теплотехники во всем мире, — низкотемпературное сжигание топлива в топках электростанций. В свое время наш институт выступил с обоснованным предложением: применив псевдожидкость, уменьшить и удешевить паровые котлы тепловых электростанций; котлы эти имеют пока размеры многоэтажных зданий. В дальнейшем, уже другими, был развит вариант, дополненный сжиганием самого топлива в псевдожидкости. В этом случае топливо можно будет сжигать без предварительного тонкого размола, причем будет гореть и низкосортное топливо, имеющее много легкоплавкой золы. Не все, наверное, знают, что миллионы тонн топлива, сжигаемого в топках больших паровых котлов, проходят непростые операции подготовки, в частности измельчение на особых «мельницах». Упростить подготовку топлива — значит получить огромный экономический эффект. И еще один аспект (в наши дни он привлекает особое внимание): такое низкотемпературное сжигание топлива позволит в 4–5 раз уменьшить выброс в атмосферу оксидов азота и в 10–20 раз уменьшить выброс оксидов серы.

У теплообмена с использованием псевдожидкостей есть уже и признанные достижения, например значительная интенсификация ряда химических процессов. Или создание печей для высокотемпературного нагрева металла, которые резко повышают качество и эффективность кузнечного производства.

Кузнечное дело, история которого начинается в глубокой древности, и в наши дни не утратило своего значения. Крупные кузнечные цеха существуют на большинстве машиностроительных заводов, в частности на автомобильных и моторостроительных. Причем принцип нагрева металла очень часто остается таким же, как тысячу лет назад: заготовку помещают в пламя, в пламенную печь, которая лишь по масштабам и по вспомогательному оборудованию, но никак не по принципу действия отличается от горна деревенского кузнеца. И так же как тысячи лет назад, безжалостно расходуется топливо на нагрев заготовки — в трубу улетают миллионы джоулей энергии. И так же выгорает металл, заготовка быстро окисляется в пламени, покрывается окалиной, которую потом приходится удалять токарям и фрезеровщикам.

Было предпринято немало попыток избавиться от этих недостатков, особенно от второго, но печи получались очень сложными, громоздкими или ненадежными. А печи, родившиеся в ИТМО, уже имеют значительный рабочий стаж (справка: на различных заводах работают 12 таких печей; одна из них в течение года круглосуточно работает в Москве на Первом Государственном подшипниковом заводе; Министерство автомобильной промышленности приняло решение о серийном выпуске новых печей), хотя, конечно, путь к этому был нелегким. О некоторых этапах этого пути и о самих печах рассказывает один из их создателей, руководитель лаборатории теплообменных процессов и аппаратов, доктор технических наук Николай Васильевич Антонишин:

— Частная, по сути дела, задача, о которой мне предстоит рассказать, относится к чрезвычайно важной и общей проблеме — повышению эффективности нагревательных устройств. Первый шаг в этом важном деле был сделан безвестным изобретателем, который оградил свой костер камнями. Как ни странно, но существуют области теплотехники, в которых во все последующие времена не было сделано других усовершенствований подобного масштаба. В числе таких областей — высокотемпературный огневой нагрев металлических заготовок. Здесь до самого последнего времени используется традиционная схема теплообмена — через газообразные продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изолятором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его способность передавать тепло, равен 200, в то время как у жидких металлов или расплавов солей этот коэффициент равен 20 000.

В новых печах, разработанных ИТМО совместно со Специальным конструкторским бюро Министерства автомобильной промышленности, теплообмен осуществляется в кипящей псевдожидкости — сжигаемый газ первоначально отдает тепло песку, а тот, перемещаясь с потоками газа, отдает тепло металлу (рис. 4). На первый взгляд может показаться, что введение этого посредника — песка — ничего не должно дать, так как сам песок получает тепло все от того же теплоизоляторы — от газа. Однако суммарная поверхность песчинок огромна, и в значительной мере благодаря этому они отбирают у пламени во много раз больше тепла, чем сумела бы отнять нагреваемая заготовка.

Поучительна история создания новых печей. Все началось с того, что в отвлеченных, по сути, исследованиях были обнаружены очень эффективные процессы теплообмена в псевдожидкостях на основе газообразных продуктов горения. Затем была найдена область, где эти процессы могли дать большой эффект. Потом началась постройка печей и их разрушение — первые печи получались неудачными. И наконец, последние модели — они просты, надежны, нагрев идет в несколько раз быстрее, чем в обычных пламенных печах. И главное, не создается окалины, что дает особо ощутимый экономический выигрыш. Вся эта коротко рассказанная история заняла почти 15 лет, но она все же приводит к оптимистическому выводу — современные системы теплообмена могут в корне преобразовывать некоторые традиционные теплотехнические процессы.

Среди новых теплообменных систем важное место занимают тепловые трубы. Один из простых вариантов тепловой трубы— это закрытый металлический цилиндр (рис. 5); его внутренние стенки выложены слоем пористого материала, пропитанного легко испаряющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы — на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу — это нормальная конвекция; здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшаяся жидкость по пористому материалу возвращается обратно к горячему концу трубы.

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.

Нетрудно догадаться, что для проведения нейтринных экспериментов нужно создать поток нейтрино, нужно очистить его от всех других частиц и нужно терпеливо ждать «событий» — столкновения нейтрино с ядерными частицами. Но от общей схемы, от этих, казалось бы, простых «нужно» лежит трудный и долгий путь до реальных установок, реальных экспериментов.

Вот несколько штрихов, дающих представление о подготовке к нейтринным экспериментам на Серпуховском ускорителе. Рассказывают создатели нейтринной установки, участники первых экспериментов на ней.

Доктор физико-математических наук Альберт Иванович Мухин, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Идею нейтринных экспериментов на ускорителях еще в шестидесятых годах выдвинули академики Моисей Александрович Марков и Бруно Максимович Понтекорво. Однако понадобились годы, прежде чем идея была реализована. Основной элемент любой установки для таких экспериментов — это, конечно, сам ускоритель, который дает пучок протонов высокой энергии — у нас до 70 ГэВ. Протоны бомбардируют алюминиевую мишень, и из нее вылетают потоки разных частиц, в частности пи-мезоны (π+) и ка-мезоны (К+). Пролетев некоторое расстояние, и те и другие распадаются (см. рис.) на мю-мезоны и нейтрино (μ + v).

Частицы, вылетавшие из алюминиевой мишени, пробегают по длинной (150 м) вакуумной камере, и за время этого пробега происходит очень много распадов, рождающих нейтрино. Так создается поток нейтрино, но, конечно, не в чистом виде, а в смеси с огромным количеством других частиц.

На пути из вакуумной камеры к регистрирующим устройствам частицы должны преодолеть железный фильтр толщиной 66 м. Нейтрино пронизывают его легко и просто, для всех же остальных частиц этот фильтр практически непреодолим. В итоге на выходе фильтра получается практически идеально чистый поток нейтрино. Вся установка окружена железным экраном с общей массой 20 тыс. т — по массе это большой океанский. лайнер.

Доктор физико-математических наук Виталий Сергеевич Кафтанов, руководитель лаборатории Института теоретической и экспериментальной физики:

— Мишени, в которые направляют поток нейтрино, — это квадратные стальные плиты со стороной 2,2 м, толщиной 12 см. Всего таких плит на установке 24, нейтринный поток последовательно пронизывает их одну за другой. В промежутке между каждыми двумя соседними плитами находятся детекторы частиц— искровые камеры. Это фактически трехпластинчатые конденсаторы с высоким напряжением (30 кВ) между пластинами. Пролет нейтрино в таких детекторах, конечно, не регистрируется. Но когда в какой-нибудь стальной пластине нейтрино налетит на ядерную частицу, то их взаимодействие будет точно зафиксировано— новые частицы, рожденные этим взаимодействием, пролетая между пластинами «конденсатора», на своем пути ионизируют газ, и по их невидимому следу проскакивает тонкая искра, которая фотографируется или регистрируется фотоэлектронным устройством. Примечательно вот что. В любых других ядерных экспериментах регистрируется очень много «событий» — столкновений, распадов и т. п. — и потом из сотен тысяч фотографий отбирается несколько нужных. В нейтринных экспериментах посторонних «событий» нет, регистрирующие приборы в основном все время молчат. Но когда они наконец срабатывают, то это почти всегда означает, что произошло истинно нейтринное «событие» — какое-то нейтрино попало в ядро. В первом цикле экспериментов за три недели было зарегистрировано несколько тысяч таких «событий».

Доктор физико-математических наук Александр Васильевич Самойлов, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Одна из главных характеристик установок для нейтринных экспериментов — это частота следования «событий». Желательно, чтобы «события» происходили как можно чаще — здесь, очевидно, пояснений не требуется. Частота «событий» зависит от плотности нейтринного потока, а значит, от многих факторов: от энергии протонов, направленных из ускорителя на алюминиевую мишень, от интенсивности протонного пучка. И еще от конфигурации потока пи-мезонов и ка-мезонов, из которых в итоге образуется поток нейтрино. Если собрать, сконцентрировать пи-мезоны и ка-мезоны, не давать им разлетаться по сторонам, а направить их в сторону стальных плит-мишеней, то и поток нейтрино в этом направлении станет «гуще», а значит, чаще будут происходить и регистрироваться «события».

Для фокусировки потока частиц в вакуумной камере перед ней установлены магнитные параболические линзы. Нужные нам пи-мезоны и ка-мезоны имеют положительный электрический заряд, и поток этих частиц есть не что иное, как электрический ток. Ну а на ток можно влиять магнитным полем.

Фокусирующие линзы (всего их четыре; частицы последовательно проходят одну линзу за другой) сделаны из тонкого металла (толщина несколько миллиметров) и чем-то напоминают песочные часы, положенные набок, — каждая линза имеет форму двух параболоидов вращения, соприкасающихся своими вершинами. Если по такой линзе пропустить ток, то в ней возникает магнитное поле, сжимающее поток частиц. Частицы, вылетевшие из алюминиевой мишени, имеют очень большую энергию, и, чтобы сфокусировать их, по линзе пропускают ток до 500 кА. При этом на линзу обрушиваются огромные механические нагрузки (до 100 кН). Уже эти цифры говорят о трудностях создания линз для нейтринного эксперимента. Однако трудность задачи вполне окупается результатом — сильно расходящийся поток частиц становится практически параллельным.

Так вот, фокусирующие линзы в 10 раз обогатили нейтринный поток, или, проще говоря, в 10 раз увеличили среднее число нейтрино, попадающих в стальные листы-мишени. А значит, в 10 раз повысили число «событий» в единицу времени. Но, может быть, даже важнее другое: если изменить направление тока в обмотках линзы, то она будет фокусировать не частицы π+ и К+, а частицы π- и К-, т. е. частицы с отрицательным электрическим зарядом. А эти частицы, распадаясь, рождают уже не нейтрино, а антинейтрино. И экспериментатор нажатием кнопки (это, конечно, некоторое упрощение, но не принципиальное) может сменить тип наблюдаемых ядерных превращений. И еще: меняя силу тока в фокусирующих линзах, можно в конечном итоге менять энергию нейтрино, что тоже важно для экспериментаторов.

Доктор физико-математических наук Кирилл Петрович Мызников, руководитель лаборатории Института физики высоких энергий:

— Машинное время всякого ускорителя очень дорого, тем более такого, как серпуховской гигант. И не только потому, что столь сложная машина не должна «крутиться» вхолостую. Главное в том, что есть очень много желающих работать на нашей машине, проверять алгеброй эксперимента гармонию идей. А сутки, как известно, не растягиваются.

Вот почему всякая новая экспериментальная установка должна вписаться не только в схему, но и в ритм ускорителя. Так, в частности, сгустки ускоренных протонов (ускоритель, как известно, работает в импульсном режиме) распределяются между несколькими экспериментальными установками, несколькими группами исследователей примерно по такому принципу: «один импульс тебе, другой — мне, третий — ему…». Практически, конечно, машинное время делится иначе, но к ускорителю всегда подключено несколько установок, и протонный пучок необходимо коммутировать, переключать. А это не так-то просто, если учесть огромную энергию протонов. Даже просто сбрасывать этот пучок с кольца, спрямлять его, направляя в экспериментальные установки, приходится в два приема — коротким сильным «ударом» пучок заставляют колебаться, а затем в удобный момент его отгибают в нужную сторону.

Всякое управление протонным пучком осуществляется с помощью магнитных полей, в принципе так же, как и управление электронным лучом в телевизионном кинескопе. Но конечно, масштабы, цифры у нас совсем иные. Вот некоторые из них.

От самого ускорителя до экспериментальной установки протонный пучок проходит 160 м, совершая при этом несколько поворотов. Диаметр пучка в фокусе 2 мм, в каждом протонном импульсе около 1012 частиц с полной энергией, т. е. с энергией до 70 ГэВ. Пучок очень концентрированный — в ореол диаметром около 51 см попадает лишь 0,1 % частиц. Потери протонов на всем пути от ускорителя до нейтринной установки не превышают 0,5 %. Столь высокая эффективность передачи пучка необходима по ряду причин, в частности она позволяет снизить требования к радиационной защите.

Есть и другая группа задач — всю исследовательскую аппаратуру необходимо синхронизовать с появлением протонного импульса. Нужно, например, чтобы синхронно включались магнитные линзы, подавалось напряжение на пластины искровых камер, включались регистрирующие приборы. Причем все это должно срабатывать надежно, с микросекундной точностью. И переключать нужно огромные мощности — суммарная мощность наших систем, работающих лишь на нейтринный канал, достигает миллиона ватт, аппаратура питания, управления протонным пучком и его переключения занимает целый трехэтажный корпус, буквально набитый самой современной электроникой.

Получение снимков первых нейтринных «событий» было большой радостью не только для самих физиков, но и для многих инженеров, техников, рабочих, для всех, кто готовил техническую базу эксперимента.

Лауреат Ленинской премии академик Анатолий Алексеевич Логунов, научный руководитель Института физики высоких энергий:

— Даже по нескольким фрагментарным характеристикам установки можно увидеть, что организация нейтринных экспериментов — дело непростое, небыстрое. И прежде чем начинать такое дело, вкладывать в него время, силы, средства, исследователи тщательно взвешивают все «за» и «против», пытаются оценить возможные результаты. Нужно сказать, что нейтринные эксперименты — это лишь один из участков на достаточно широком фронте ядерных исследований. Но участок интересный, судя по всему, перспективный.

Во-первых, сами нейтрино — очень тонкий инструмент. Они взаимодействуют с ядерными частицами, если можно так сказать, очень аккуратно, тонко. И поэтому нейтринным «прощупыванием» можно вести исследование структуры самих элементарных частиц, в частности структуры протонов и нейтронов.

Второе. Все взаимодействия, связанные с нейтрино, — это так называемые слабые взаимодействия. Всего нам пока известны четыре разновидности взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные (ядерные) и слабые взаимодействия. К этому последнему классу относится огромное разнообразие процессов и, в частности, почти все распады ядер и отдельных частиц. В то же время знаем мы о слабых взаимодействиях очень мало.

Нейтрино — прекрасный инструмент для изучения слабых взаимодействий. Оно само продукт этих взаимодействий, почти все процессы, вызываемые нейтринной бомбардировкой, — это слабые взаимодействия.

Слабое взаимодействие универсально — в нем участвуют все известные частицы. Ряд частиц участвует только в слабых и электромагнитных взаимодействиях и не испытывает сильных взаимодействий. Эти частицы называются лептонами. Слабое взаимодействие лептонов изучено при сравнительно малых энергиях, причем установлено, что с ростом энергии сила слабого взаимодействия растет. Это, кстати, выделяет слабые взаимодействия из всех других известных ядерных процессов. Вопрос о том, может ли слабое взаимодействие при высоких энергиях стать сильным, — один из фундаментальных вопросов современной физики. Ответ на него зависит от структуры слабых взаимодействий. Возможно, что подобно тому, как электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами, слабые взаимодействия тоже переносятся некоторой частицей, которую предварительно, «заочно», назвали промежуточным векторным бозоном. Поиски этой частицы пока не дали положительных результатов. Если промежуточный бозон будет обнаружен, то это будет означать, что слабые взаимодействия в принципе не могут стать сильными.

Есть основания надеяться, что нейтринные эксперименты смогут дать дополнительную интересную информацию о слабых взаимодействиях и тем самым приблизят нас к пониманию этого класса процессов.

Нейтринные эксперименты имеют отношение и к другим чрезвычайно важным проблемам, в том числе к проблемам систематики элементарных частиц. Здесь в качестве примера можно назвать поиск тяжелых лептонов (пока нам известны лишь легкие лептоны — электрон, мю-мезон и нейтрино). Или еще такую задачу — изучение сущности различий между электроном и мю-мезоном. Дело в том, что обе эти частицы совершенно одинаково участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях, хотя масса мю-мезона примерно в 200 раз больше, чем масса электрона.

Рассказывая о проблеме единой теории ядерных процессов, физики в качестве аналогии часто приводят созданную Максвеллом теорию электромагнетизма. И действительно, эта теория сформулировала общие законы, которым подчиняется огромный класс разных, как казалось, явлений. Но не стоит забывать, что великая Максвеллова победа начиналась с довольно простых экспериментов Эрстеда, Био и Саварра, Фарадея, Ампера, Ленца, с экспериментов, установивших главное — единство, взаимосвязь электричества и магнетизма. Веками считалось, что электричество — это одно, а магнетизм — совсем другое. Но вот обнаруживается, что если поднести магнитную стрелку к проводнику с током, то стрелка поворачивается. Притягивают или отталкивают друг друга два проводника, по которым течет ток. Если в магнитном поле двигать проводник, то в нем наводится электродвижущая сила. Выясняется, что магнетизм возникает при любом движении электрического заряда, что при всяком изменении электрического поля появляется магнитное, при изменении магнитного — электрическое. Одним словом, в простейших опытах выясняется: нет независимых электрических и магнитных явлений, есть нечто единое — электромагнетизм.

Вот такие же объединяющие факты ищут сегодня исследователи микромира. Ищут факты, которые помогут как-то связать безумное множество ядерных характеристик и процессов. Найти эти факты, конечно, несколько сложнее, чем обнаружить магнитное поле тока. Но и инструмент нынешних экспериментаторов — это не стрелка компаса, не медная проволочка, подключенная к гальваническому элементу.

В недолгой истории ядерной физики были периоды оптимизма, были периоды пессимизма, но никогда не знала она периодов бездеятельности. И сегодня исследователи микромира не опустили руки перед сложностью проблемы. Вооруженные могущественной, совершенной техникой, тонкими теоретическими гипотезами, виртуозными экспериментальными методами, такими, в частности, как методы нейтринных экспериментов, физики ищут контуры завершенной, красивой модели микромира. Ищут с надеждой найти.

Пробиться к центру Солнца

Научно-реалистическое повествование в девяти действиях с прологом и эпилогом.

Пролог. Астрономы и астрофизики уходят в горы, затаскивают туда свои телескопы, спектрографы, интерферометры, исходя из чисто деловых соображений: в горах прозрачней атмосфера, там больше ясных дней, меньше мешают ночные острова электрического света. Одним словом, в горах лучше небо.

Но неужели только это?

Наверное, все же, оставив внизу шум и суету городов, человек еще и совсем по-иному видит этот бездонный черный океан с рассыпанными в нем мириадами бриллиантовых пылинок. И звезды, наверное, становятся значительно ближе, конечно, не в метрах, не в световых годах, а в не придуманных пока единицах человеческой привязанности, звезды становятся ближе к тем, кто всматривается в них с горных вершин Памира, Крыма, Саян, Кавказа.

Кавказ можно смело назвать форпостом нашей астрофизики, здесь находятся четыре крупные обсерватории мирового класса (рис. 1 на втором листе цветной вклейки): три из них — в Абастумани, Бюракане и Шемахе — входят в состав республиканских академий Грузии, Армении и Азербайджана, а четвертая — в районе станицы Зеленчукской — Специальная астрофизическая обсерватория АН СССР с крупнейшим в мире оптическим телескопом БТА и огромным радиотелескопом РАТАН (о них рассказывается в очерке «На старт выходят чемпионы», с. 85). Сейчас на Северном Кавказе, в Кабардино-Балкарии, создается гигантский астрофизический комплекс Института ядерных исследований АН СССР. Для этого комплекса в отрогах Эльбруса сооружается тоннель, который должен в итоге привести исследователей в скрытые от нас пока недра звезд и прежде всего к центру нашей собственной звезды, к центру Солнца.

Действие первое. Земля быстро приближается к Солнцу, однако все еще не видны главные детали этой космической тепловой машины. За последние десятилетия Солнце и Земля в нашем сознании сильно сблизились. Голубая планета, конечно, ходит вокруг огненного солнечного шара по неизменному своему маршруту, но представление об этом грозном «…от Земли до Солнца 150 млн. км…» стало совсем иным: много раз наши космические аппараты прибывали на Венеру, и мы даже видели телепередачу с ее поверхности; а ведь Орбита Венеры лежит на полпути от Земли к Солнцу. Более того, космические автоматы летят к Венере по сложной криволинейной траектории протяженностью 350–400 млн. км. А до Солнца всего 150 млн. км… Размеры Солнца, его «…полтора миллиона километров в диаметре…» тоже стали как-то понятнее — это всего четыре отрезка Земля — Луна, отмеренные космическими аппаратами уже десятки раз.