Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы

Если чем и выделялись студенты–физики той поры, то активностью. Студенческие строительные отряды, например, придуманы ими.

Поехали мы во время летних каникул 1959 года, как традиционно ездили перед этим студенты, «на целину» — на сельскохозяйственные работы. Но с легкой руки секретаря комитета комсомола физфака Сергея Литвиненко часть из нас, работавших в Булаевском совхозе на севере Казахстана, стала первым в истории студенческим строительным отрядом (наши последователи почему–то грозно именуются «бойцами» ССО). Мы строили птичник из самана, работали в несколько смен, и те первые в моей жизни рабочие рассветы, когда земля кажется темной и плоской, а небо над ней — светлым куполом с яркими узорами облаков, запомнились на всю жизнь.

Прямо перед встречей с Нильсом Бором мы, тогдашние третьекурсники физфака, только что пережили распределение по кафедрам. Популярны были кафедры, где изучали фундаментальные вопросы теоретической физики. Шли студенты в «лазерщики» к Рэму — так называли на физфаке будущего ректора университета Р. В. Хохлова. Он совершенно четко ощущался в то время как центр, вокруг которого сплачиваются люди. «Табель о рангах» не отражала пока истинного значения Хохлова: защита докторской диссертации ему только предстояла, руководителем служебных подразделений он не был, и группа энтузиастов вокруг него лишь задним числом стала называться «лабораторией нелинейной оптики».

Однако самый большой конкурс был среди желающих изучать атомную физику. Традиционный предмет ее — вещество в том состоянии, когда оно светится. Оно может многое тогда рассказать о себе на языке спектров составляющих его атомов. Эти спектры выглядят по–разному в зависимости от условий, в которых находятся атомы. По спектрам можно узнать, соединены они в молекулу или в молекулярный ион или остаются свободными, можно судить о температуре вещества, об электрическом или магнитном поле, в которое погружено вещество. Атом может бомбардироваться энергичными частицами (частицами этого же вещества или их посторонним потоком), получать от них энергию для последующего высвечивания кванта света, может терять электро–ны под их ударами — обо всем этом тоже можно узнать, разглядывая спектр. Вещество как бы само включает многоцветие сигнальных лампочек, сообщающих об его состоянии. Умеешь в этом многоцветий разбираться — в твоих руках ценнейшая информация.

Когда–то в затемненном школьном кабинете нам показали различные режимы, в которых может работать газоразрядная трубка. Простое устройство — два электрода, разреженный газ между ними. Электроны, вырываясь из катода, сталкиваются с частицами газа и заставляют их светиться. Маленькое полярное сияние здесь, в школе — и свободные электроны, эти загадочные неделимые порции электричества. Нежно светящаяся трубка с газовым разрядом оказалась причастной и к тайне космической бездны и к бездне тайн микромира. На физфаке я пришла на кафедру атомной физики.

Но теперь атомщики занимались еще и другим. Их особенно стало интересовать газообразное вещество со значительной примесью свободных заряженных частиц или вовсе состоящее только из них — плазма. Плазму можно считать четвертым состоянием вещества, потому что при нагревании можно последовательно переводить вещество из твердого состояния в жидкое, в газообразное и потом — в плазму. Если удастся нагреть вещество еще больше — до очень высоких температур, то быстро–движущиеся тяжелые положительно заряженные ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и подойти друг к другу настолько близко, что попадут под влияние других, ядерных, сил, действующих на малом расстоянии. Ядра сольются, произойдет термоядерная реакция («термо» — потому что нужна высокая температура). Такие реакции должны идти в недрах Солнца и идут, к печали человечества, на Земле — при взрыве водородной бомбы.

С управляемой термоядерной реакцией связаны надежды людей на получение неисчерпаемого источника энергии. Еще с помощью плазмы можно прямо, без всяких турбин, превращать тепловую энергию в электрическую. При этом сокращаются потери энергии: коэффициент полезного действия обычных тепловых электростанций сравнительно мал.

Пламя, даже от спички, — плазма. Таинственная шаровая молния — тоже. Но в общем на поверхности Земли в естественных, не лабораторных условиях плазмы немного.

Другое дело — в космосе. Во Вселенной 99 процентов вещества пребывает в состоянии плазмы.

В начале 60‑х годов уже работали на орбитах первые космические корабли. По инициативе известного специалиста по космическим лучам С. Н. Вернова, впоследствии академика, на спутниках были подняты счетчики заряженных частиц, применяемые в ядерной физике. Проблемы всевозможных земных, лабораторных и космических плазм сплелись вместе. Время открывало перед молодыми физиками–атомщиками интереснейшие перспективы.

Первые же прямые наблюдения в космосе показали, что люди неверно представляли себе обстановку в нем. Считалось, что количество частиц должно равномерно убывать по мере удаления от Земли. Однако на расстояниях порядка тысячи километров от поверхности планеты и дальше их оказалось намного больше, чем ожидалось. Области максимальной плотности получили название радиационных поясов Земли (слово «радиация» в данном случае означает присутствие энергичных частиц; когда говорят «радиоактивное облучение», то имеют в виду и облучение потоком таких частиц).

Ясно было, что сила земного притяжения не может удерживать на таких расстояниях от Земли столько частиц.

Что же мешало этим частицам разлететься?

Современная физика, ищущая подходы к термоядерному синтезу, могла дать ответ раньше, чем прозвучал вопрос: эти заряженные частицы захвачены магнитным полем Земли. В самом деле, для того чтобы началась термоядерная реакция — слияние двух ядер тяжелого водорода в одно ядро гелия, требуется удержать ядра водорода в небольшой области пространства в течение достаточно длительного времени: двигаясь внутри этой области, они в конце концов встретятся и сольются. Удерживать ядра помогает магнитное поле, которое затрудняет, как известно, передвижение заряженных частил, в поперечном к нему направлении на значительные расстояния: попав в такое поле, частица как бы блуждает в нем и не может выйти или выходит, но спустя какое–то время. Длительность этих блужданий зависит от того, как поле распределено в пространстве — говорят, от «конфигурации магнитного поля» и еще от того, в какую его точку и с какой скоростью была запущена частица.

Еще в начале века, задолго до термоядерщиков, эти вопросы изучали астрофизики. Их интересовало, как ведут себя заряженные частицы космической плазмы. Движение каждой такой частицы представляет собой микроскопический электрический ток. Поэтому в космосе существуют магнитные поля и, кроме того, небесные тела, имеющие собственное магнитное поле, оказывают влияние на движение космической плазмы. К середине нашего века разработки на эту тему могли уже считаться самостоятельной наукой. Она и послужила фундаментом для начавшихся потом исследований чисто земных проблем — термоядерного синтеза и прямого преобразования энергии. В развитие этих направлений были вложены крупные средства, и в них стало работать большое число ученых. Теперь исследователи космоса, в свою очередь, могли пользоваться результатами земных разработок по интересующей их теме. Это было тем более кстати, что появились спутники и космические корабли и изучение космоса резко двинулось вперед.

Из астрофизики выделилась молодая наука космофизика, изучающая космос на основе прямых измерений в нем.

Ко времени открытия радиационных поясов Земли уже было хорошо известно, что магнитные поля некоторых конфигураций могут долгое время удерживать определенным образом запущенные в них частицы. Термоядерщикам, которым нужно, чтобы частицы не разлетались, интересно именно это свойство полей, и они называют их ловушками. Это название так укоренилось, что им пользуются и космофизики, хотя для них оно не совсем удачно. Космофизики изучают, как вообще взаимодействуют заряженные частицы и магнитные поля, и им следовало бы называть поля таких конфигураций как–нибудь иначе, «лабиринтами», что ли, подчеркивая, что частице не только трудно покинуть такое поле, но и войти в него снаружи, хотя некоторые частицы тем не менее входят и выходят (как уже говорилось, все дело в том, где находилась частица в начальный момент и какая У нее тогда была скорость).

Магнитное поле в области радиационных поясов Земли близко к дипольному, оно представляет собой именно такую ловушку. Как и всякая ловушка, слишком энергичную для себя частицу дипольное поле Земли удержать не сможет: она пройдет через него по какой–то плавной кривой. Пути же захваченных полем частиц выглядят совсем иначе. Это спирали со множеством витков, навитые на силовые линии магнитного поля (рис. 2). Движение каждой отдельно взятой частицы, захваченной дипольным магнитным полем Земли, идет по стандартному образцу. Если понаблюдать за частицей в течение некоторого довольно короткого времени, то можно заметить, что частица описала почти окружность — это один виток спирали. Проследив за ее движением дольше, мы увидим, что этот виток «качается» вдоль магнитной силовой линии, уходя на определенное расстояние от плоскости экватора, а затем возвращаясь к ней. Через несколько часов наблюдений станет ясно, что вся спираль постепенно поворачивается вокруг Земли.