Аннотация: Какой будет энергетика будующего? Что такое шаровая молния и огни святого Эльма? Как получить реакции нуклеосинтеза в простых лабораторных условиях?
Огонь Моисея и энергия нуклеосинтеза.
Если человечество в ближайшем будущем ожидает новая глобальная техническая революция, то речь может идти только об энергетике. Если наш мир разумно устроен, то необходимо должны существовать методы, которые откроют людям путь к неограниченной и дешёвой энергии. Запасы углеводородного сырья, которое природа накапливала в своих недрах миллионы лет и которые человечество истратит за пару сотен, является только самой нижней передачей энергетического двигателя. Благодаря углеводородному сырью люди смогли выйти на ключевой уровень развития, когда стал возможен переход на энергетику, которая сможет неограниченно удовлетворить любые потребности людей.
Конечно, сегодня увидеть новую энергетику так же сложно, как и пользователю первого телеграфа понять принципы современной сотовой связи или изобретателю электронно-лучевой трубки вообразить себе возможности жидкокристаллических цветных мониторов. Разработка особых материалов природы приводит к фантастическому техническому прорыву. Так полупроводниковая техника привела к развитию всей современной электроники, включая и компьютерную технику без которой современная жизнь кажется невозможной.
Поиску подходов к источникам энергии, которые как раз и предназначены природой для использования, мешает высочайший консерватизм современных научных исследований отметающих все, что не вписывается в привычные представления. Наука кажется сама себе стройной и почти завершённой, не смотря на то, что иногда возникают явления никаким образом не вписывающиеся в привычные научные формы. Как это бывало в истории, такие нетривиальные явления могут оказаться вершиной айсберга, где самое интересное скрыто до времени от понимания.
В этой статье я хочу попытаться обнаружить общее направление, двигаясь в котором можно прийти к энергетике будущего. Дать конкретный ответ на вопрос как именно будет технически разработана новая энергетика, я не могу, но мне кажется, что я могу нарисовать самую общую картину, в которой будут прорисованы все основные ключевые точки. Энергия, о которой я говорю, имеет ядерную природу и поэтому настолько же эффективнее сжигания обычных углеводородов, как сильное взаимодействие эффективнее электромагнитного. Я предполагаю, что процессы, основанные на такой энергетике, являются одним и ключевых энергетических источников живых клеток, а поэтому вопрос об экологической чистоте должен отпасть сам собой.
Успехи и сила примеров использования физики высоких энергий, включая атомные и водородные бомбы, заставляет вкладывать громадные денежные ресурсы в эти области. На это также влияет широкое распространение таких высокоэнергетических теорий, как теория большого взрыва. При этом изучение явлений характерных для низких энергий остаются уделом небольших научных лабораторий. Разработка новой энергетики может привести к драматическим последствиям для мировой экономики. Нефтяная и ядерная индустрии окажутся не у дел. Реакции нуклеосинтеза позволят достаточно дёшево получать редкие элементы, включая и золото - именно таким образом, как они возникают в природе. Это может стать своего рода "шоковой терапией" для многих финансовых институтов рассчитывающих на невозможность дешёвого синтеза золота.
Начнём издалека. В Библии, книге "Исход" 3.1-4, рассказывается история, послужившая исходной точкой для Моисея начать свою активность в качестве лидера еврейского народа. Высоко в горах он столкнулся с явлением удивительного свечения, которое было совершенно холодным. Библия показывает связь этого странного свечения с "высшими силами". Природным явлением, которое обладает аналогичным свойством, является "огни святого Эльма". Существует множество описаний этого явления, и большинство этих описаний не может быть объяснено физикой высоких энергий и в частности коронным разрядом. Экспериментальное воспроизведение огней святого Эльма именно так, как это происходит в природе, по-прежнему невозможно.
Один из известных документальных наблюдений Огней Святого Эльма относится к временам Карфагена. Известный полководец Ганнибал (ок. 247 -183 гг. до нашей эры) совершал переход через Альпы, чтобы внезапно напасть на римское войско. Ганнибал очень хотел вдохновить своих воинов и в этом ему помог совершенно необычный случай, хорошо описанный в истории. Во время одного из ночных маршей на остриях копий воинов вдруг ярко засверкали языки пламени. Вначале это были одиночные огоньки, а потом загорелись все копья. Впечатление было такое, что солдаты несут не оружие, а тысячи ярких факелов. Вокруг стало светло, как днём. Вначале все испугались и стали тушить огонь, это оказалось невозможно. Было удивительно, что пламя не обжигало, как обыкновенный огонь, а только немного потрескивало. Ганнибал немедленно провозгласил, что это "божественное знамение", которое предвещает великую победу. В 216 году до н. э., карфагеняне в битве при Каннах наголову разбили превосходящее их по численности римское войско. Эта победа вошла в военную историю, как один из блестящих примеров военной стратегии.
Своё название, это свечение получило от церкви Святого Эльма, которая находилась в Италии. Эта церковь была известна далеко за пределами Италии, поскольку время от времени прямо перед грозой, крест на шпиле этой церкви начинал светиться и пылать голубоватым огнём, словно факел. Иногда огни загорались и на шпилях боковых башен. После того, как начиналась гроза, явление исчезало.
Огни Святого Эльма обычно возникают на высоких остроконечных предметах - шпилях башен и церквей, на громоотводах, корабельных мачтах. По-своему виду, они напоминают языки пламени, вытягивающиеся вверх на 30-50 сантиметров. Такие огни часто видят моряки на мачтах кораблей. Вот как в 1696 году описывал возникновение Огней Святого Эльма капитан парусного судна:
Опасаясь бури, я приказал спустить все паруса. И тут мы увидели в разных местах больше тридцати огней... Огонь, который находился на флюгере большой мачты, был более полутора футов в длину. Я послал матроса, чтобы снять его. Влезши наверх, матрос крикнул нам, что огонь шипит, как ракета из сырого пороха. Я велел снять его вместе с флюгером и принести вниз. Но как только матрос снял флюгер, огонь перескочил на конец мачты, откуда снять его было невозможно. Огонь оставался там некоторое время, а потом начал гаснуть и понемногу исчез.
Огни Святого Эльма могут появляться даже на людях, особенно в горных районах. Так описывается появление огней в группе альпинистов, которые совершали восхождение в горах Тянь-Шаня.
Однажды в летнюю пору на одну из вершин Тянь-Шаня поднималась группа альпинистов. То были люди молодые, весёлые, переговаривались на ходу, они шутили, посмеивались друг над другом.
Один из альпинистов почувствовал вдруг лёгкие покалывания в концах пальцев. Затем покалывать стало на голове, зашевелились и встали дыбом волосы.
- Смотрите, смотрите, испуганно вскрикнула одна девушка, Саша Степанов горит!
Все остановились. Действительно, голова Саши была объята голубоватым пламенем. Увидев, что все на него с изумлением смотрят, Саша испугался:
- Ну, чего вы ребята?
Но испуг быстро прошёл. Пламя оказалось совершенно безвредным. Очень скоро засветилась голова у одного, затем у другого, третьего, а там и у всех участников похода. Потом заискрились ледорубы, палки, металлические части снаряжения, словом холодное пламя буйствовало всюду. Через некоторое время огненная пляска прекратилась.
Не существует экспериментально воспроизводимого газового разряда, который внешне напоминал бы обыкновенное пламя с одной стороны и был бы совершенно холодным и безвредным настолько, что в него можно было бы сунуть руку. Отсюда можно предположить, что явление это не имеет никакого отношения к разрядам в газах. Физика высоких энергий объясняет свечение газового разряда тем, что в сильном электрическом поле электроны ионизируют газ, создавая лавину. При этом необходимо наличие сильного электрического поля, высокоэнергичных электронов и обычно сопровождается высокой температурой. Обычное применение разряда в неразряжённой атмосфере - дуговая сварка.
Официальное объяснение огней Святого Эльма заключается в том, что это "особая форма коронного разряда", который возникает во время грозы, когда напряжённость поля превышает 500 Вольт/м. То, что наблюдается в лаборатории, имеет вид светящихся пучков или кисточек, которые образуются на конце острого металлического предмета. Наблюдения этого явления в природе говорят нам о самом главном свойстве огней Святого Эльма, про который совершенно забывают экспериментаторы - это совершенно холодный огонь. Некоторые люди свободно подставляли под него руку, а моряки пытались "погасить" этот огонь, но оказывалось, что он с одной стороны имеет температуру окружающей среды, а с другой стороны, потушить его не так просто - он исчезает только сам собой, так же как и появляется. Вряд ли найдётся экспериментатор, который сможет подставить свою руку под коронный разряд в поле, превышающем 500 Вольт/м. В лучшем случае он просто обожжёт свою руку. В принципиальной холодности этого огня и заключается основной ключ к пониманию возникновения шаровой молнии, а также рекомендация к тому, как создать шаровую молнию и холодный нуклеосинтез в экспериментальных условиях.
Но что же ещё может светиться в атмосфере? Предположим, что электроны в атомах, которые обычно расположены на определённых уровнях, под действием некого неизвестного излучения электромагнитной природы, свойства которого мы пока не знаем, могут возбуждаться и "нагреваться" не покидая своих уровней - прямо в атомах воздуха. В этом случае такая система будет иметь "эффективную температуру", соответствующую уровню возбуждения электронов и при этом очевидно температура самих атомов не отличается от температуры воздуха. Световое излучение таких электронов должно соответствовать излучению абсолютно чёрного тела при определённой температуре.
Это странное излучение, о котором я говорю должно обладать возможностью эффективного взаимодействия с электронами в атомах напрямую, при этом, совершенно игнорируя сами атомы. В современной физике что-то подобное встречается в эффекте Комптона, когда рентгеновские лучи могут изменять свою длину волны, взаимодействуя непосредственно с электронами. Этот эффект, очевидно, не имеет ничего общего с тем, что происходит в случае огней святого Эльма.
Рассмотрим теперь два родственных атмосферных явления - линейную и шаровую молнии. Для первой, современная наука даёт объяснение исходя опять же из газового разряда - тем более что линейная молния внешне очень напоминает обыкновенную искру. Сложности начинаются при попытке детализировать, а как такая "искра" возникает в действительности и что, например, такое "лидер" и как объяснить его свойства. Не существует таких напряжений, которые смогли бы создать искру в несколько сотен метров и не существует поэтапной ионизации через промежуточную стадию "лидера". Объяснение же шаровой молнии, которая часто оказывается частью основного канала линейной, вызывает фатальные сложности. Если предположить, что обе молнии имеют одинаковую природу, это немедленно конфликтует с физикой высоких энергий и теориями газового разряда, поскольку невозможно объяснить стабильность шаровой молнии как и её многочисленные оригинальные свойства.
Вернёмся к огням святого Эльма. Если наше неизвестное излучение настолько сильно, что может возбудить электроны внутри атомов настолько, что они начнут покидать атом, то при выходе таких электронов из атомов, они должны иметь нулевую энергию. Для сравнения в любых видах газового разряда, электроны, выбиваемые из атомов, имеют энергию далёкую от нуля. Если в атмосфере возникают электроны при нулевой температуре, то для них должны выполняться условия, которые обычно возникают при очень низких температурах, то есть явления сверхпроводимости. Такие частицы имеют длину волны Де Бройля, настолько большую, чтобы взаимодействие с атомами воздуха было бы минимально и возникла возможность бозе конденсации куперовских пар. Отсюда можно предположить, что шаровая молния - это макроскопическое квантовое явление, своего рода сфера Ферми, состоящая из сверхпроводящих электронов. Такой объект должен был бы иметь ненулевой заряд, но любое электрическое взаимодействие представляет собой обмен виртуальным фотоном а, следовательно, должно изменить состояние одного из электронов конденсата. Но поскольку конденсат ведёт себя как единое целое, то такой объект не может взаимодействовать с окружающей средой вообще. Этим вызвано известное свойство шаровой молнии спокойно двигаться против ветра, и даже следовать за самолётом.
Возвращаясь к линейной молнии можно предположить, что некое излучение способно ионизировать воздух, не нагревая его при этом и создавая линейный канал сверхпроводящих электронов - этим занимается "лидер". Выход этого объекта из сверхпроводящего состояния сопровождается тем, что мы видим, как "вспышку молнии". С этой точки зрения взрыв шаровой молнии представляет собой то же самое.
Если существует такое излучение, которое может эффективно взаимодействовать с электронами в атомах, игнорируя сами атомы, то можно предположить, что должно существовать излучение, которое аналогичным образом могло бы взаимодействовать с нуклонами в ядрах при этом игнорируя сами ядра. Если возбуждённые нуклоны будут способны выходить из ядер с нулевой энергией аналогично электронам в молнии, то станут возможны переходы нуклонов из ядра в ядро, а также слияние ядер, то есть начнутся ядерные реакции. В молекуле азота N2 один протон может перейти из одного атома в другой с созданием молекулы СО. Возможно также слияние двух молекул азота в один атом кремния. Такие реакции внешне будут напоминать обычное пламя, но с ядерной интенсивностью. И очевидно, при этом не возникнет никакой радиации в связи с отсутствием высокоэнергетических частиц.
Теперь осталось совсем чуть-чуть: найти, что за странное излучение способно так эффективно взаимодействовать с электронами в атомах и нуклонами в ядрах. Экспериментальное получение такого излучения будет означать переход человечества на качественно новый энергетический уровень. Начнём с довольно слабо известного эффекта "внутрирезонаторной спектроскопии". Если изучаемое вещество помещено внутрь резонатора лазера, что чувствительность а, следовательно, взаимодействие излучения с веществом возрастает в сто тысяч раз. На некоторых экспериментах даже наблюдалось изменение частоты света, аналогичной эффекту Комптона. Адекватной теории внутрирезонаторной спектроскопии не существует. Импульс фотона равен p = h?/c. Но в резонаторе лазера возникает стоячая волна и эффективная скорость света при этом становится равной средней скорости молекул газа, то есть приблизительно скорости звука. Следовательно, можно предположить, что сечение взаимодействия с веществом в случае стоячей волны увеличивается настолько, насколько скорость света отличается от скорости звука - как раз в эти самые сто тысяч раз. Находясь внутри резонатора, атомы взаимодействуют с фотонами так, как будто бы те двигались со скоростью звука. Если частота лазерного излучения, например в инфракрасном диапазоне, порядка 10^13 Гц., то эффективная частота фотонов стоячей волны становится равной 10^18 Гц., что соответствует жёсткому рентгеновскому излучению.
Таким образом, если у нас имеется стоячая волна, что сечение взаимодействия с веществом значительно увеличивается. В лазере также существует режим "синхронизации мод" при этом в широкополосных жидкостных лазерах можно создать импульсы света исключительно малого пространственного размера. Это связано с тем, чем шире частотный спектр функции, тем меньше будет его пространственный Фурье образ. Правда в лазере стоячая волна не может существовать одновременно с синхронизацией мод.
Итак - теперь понятны общие формы излучения, которое мы ищем ---- это должно быть широкополосное излучение обладающее свойством стоячей волны. Посмотрим, как такое излучение могло бы возникнуть в атмосфере и привести к явлениям линейной и шаровой молний. Как известно из электродинамики, излучение в ближней зоне обыкновенного диполя есть стоячая волна. В результате конденсации водяных паров возникает широкополосное излучение СВЧ, которое, по-видимому, способно создавать такое сильное эффективное локальное электромагнитное поле, что становится возможным электронный парамагнитный резонанс и электроны атомов воздуха начинают поглощать энергию. Электроны в атомах и излучение при этом создают единое энергетическое пространство, питая друг друга. Возникает обратная связь и возможность накопления энергии внутри атомов. Излучение накачивает электроны и электроны, излучая, создают энергию - при этом возникает когерентное широкополосное излучение - как раз такое, как мы искали.
В процессе формирования канала молнии распространение излучения, по-видимому, обладает свойством самофокусировки, поэтому лидер движется по направлению к земле скачками то, двигаясь с 1\6 скорости света, то останавливаясь на миллисекунды. За собой лидер оставляет канал сверхпроводящих возбуждённых электронов - которые не способны уже поглощать или испускать излучение, но хорошо проводят это излучение до следующего прыжка - по каналу с полным внутренним отражением - как стекловолокно. Если канал, пробитый в атмосфере, лидером обрывается в двух местах, то возникает шаровая молния.
Отсюда, до получения ядерной энергии нуклеосинтеза один шаг. Если возможно в экспериментальных условиях создать широкополосное когерентное СВЧ излучение, которое способно возбуждать электроны в атомах и создавать огни святого Эльма, используя электроны в атомах как резонатор для энергии, то получаемое при этом световое излучение будет также широкополосным и когерентным. Резонатором для такого широкополосного светового излучения будут служить нуклоны в ядрах, а механизм поглощения - ядерный магнитный резонанс. После достижения критического уровня начнутся ядерные реакции. Система нуклоны-излучение будет способна поглощать энергию до тех пор, пока нуклоны не посыпятся из ядра.
Осталось сделать рекомендации для конкретных лабораторных экспериментов. Главный вопрос заключается в том, как можно получить и изучить широкополосное когерентное излучение обладающее свойством стоячей волны. Никаких особенностей при возникновении огней святого Эльма не наблюдается. Чаще всего эти огни возникают на острых высоких предметах, но это бывает не всегда. Условие грозовых или предгрозовых условий также необязательно.
Существует родственное огням святого Эльма явление, которое встречается в природе чаще и то каким образом возникает это явление более определено. Болотные или блуждающие огни не объясняются коронным разрядом, поскольку ни грозы, ни острых пиков на болотах обычно не бывает. Есть мнение, что причиной болотных огней является выделяющийся газ, который и горит в воздухе. Это объяснение также искусственно и не может считаться доказанным. С точки зрения гипотезы, рассмотренной в этой статье - болотные огни имеют ту же самую природу, что и огни святого Эльма.
Заметим, что блуждающие огни появляются на болотах, где обычно наблюдаются большое скопление торфа. Торф - это остатки растений подвергшихся неполному разложению. Большая часть массы торфа - это полуразрушенные клеточные мембраны без клеточной структуры. Если мембраны используются клетками для создания нашего чуда-изучения, концентрирующегося внутри клетки, то в случае разрушенных мембран джин вырывается из бутылки и концентрация такого излучения возможна вне клеток и совершенно в иных масштабах. Предположим, что существуют условия, при которых в массах торфа может возбуждаться широкополосное когерентное изучение, которое способно концентрироваться в виде стоячих волн над болотом - в этом случае будет происходить накачка электронов в атомах воздуха с последующим свечением. Значит исходным материалом для начальных предварительных экспериментов, для создания нужного вида излучения, может стать обыкновенный торф.
Если живые организмы помогли людям с нефтью, газом и каменным углём для использования в углеводородной энергетике, то возможно помощь с энергетикой будущего человек может получить также от живых организмов. Наблюдая за некоторыми представителями живого мира, которые выделяются своими характеристиками можно предположить, что именно они могут принять активное участие в новейших разработках. Тополь и борщевик Сосновского растут с аномально высокой скоростью. При этом древесина тополя совершенно не хранится, немедленно превращаясь в труху, а борщевик, уложенный в силос, очень быстро вскрывает клеточные перегородки и превращается в жижу. Возможно, у этих растений существуют некоторые особенности строения клеточных мембран, которые ответственны за аномально быстрый рост. Борщевик Сосновского выделяет вещества, которые позволяют обыкновенному свету оставлять на коже такие ожоги, как после контакта с жёстким ионизирующим излучением. Для создания излучения с шириной до ультрафиолета необходимы вещества, активно поглощающие ультрафиолет. Такими веществами могут стать меланины. Известно, что некоторые виды грибов, растущих на руинах реактора Чернобыльской АЭС, с помощью этих веществ усваивают жёсткое излучение, для обеспечения жизнедеятельности.
Современные подходы к энергетике будущего ориентированы преимущественно на реакциях электромагнитного взаимодействия с использованием углеводородного сырья. Обыкновенная атомная энергия экологически несостоятельна. Попытки разработать управляемую термоядерную реакцию не увенчались успехом. Если в какой-либо лаборатории будут воспроизведены огни святого Эльма, болотные огни или шаровую молнию, но эта область науки немедленно получит такое финансирование, которого, наверное, не знала и ядерная промышленность. И главное - кто-то обязательно в этом будет первым.