Страница:
Однажды (это случилось в декабре 1927 года) сосед К. Штермера, инженер и радиолюбитель Иорген Халльс рассказал ученому о мощном эхе, свидетелем которого ему довелось быть. По его словам, через несколько секунд после сигналов коротковолновой станции в Эндховене (Голландия) слышались сильные отголоски. "Как только я узнал об этом замечательном явлении, - писал позднее К. Штермер, - мне пришла мысль, что волны беспроволочного телеграфа могли быть отражены теми токами и поверхностями электронов, на которые мысль моя была направлена в годы с 1904-го по 1907-й при теоретическом исследовании северных сияний".
В декабре 1927 года К. Штермер договорился с Эндховеном о сеансах радиопередачи. Первые опыты начались в январе. Прием вели две станции: в Форнебо и Кигде. Обе станции располагались близ Осло. Станция в Нигде - это станция уже знакомого нам инженера Халльса. Радиопередатчик в Эндховене посылал сигналы через каждые пять секунд. Они регистрировались с помощью осциллографа. Очень ясно фиксировались импульсы Эндховена. Тогда же было обнаружено и несколько других сигналов, "которые могли вызваться атмосферными пертурбациями или же эхом". Во время опытов Иорген Халльс часто звонил по телефону К. Штермеру, чтобы сообщить о своих наблюдениях. Он слышал гораздо больше запаздывающих сигналов, чем отмечала станция в Форнебо. Это, по всей видимости, объясняется тем, что у него был очень чувствительный радиоприемник (Халльс вел прием сигналов на громкоговоритель).
Летом того же года состоялась встреча К. Штермера с Ван дер Полем, работавшим в Эндховене. Они договорились посылать стандартные телеграфные посылки (три импульса, три тире). Период повторения таких тройных посылок составлял 20 секунд. От осциллографа решено было отказаться (немаловажную роль в этом решении сыграл успешный опыт Халльса).
Одиннадцатого октября в 15 часов 30 минут К. Штермер услышал отчетливое эхо. Через несколько минут позвонил Халльс, и Штермер немедленно направился к нему. Громкоговоритель отчетливо воспроизводил эхо.
"Как правило, каждый сигнал давал один отголосок, а иногда даже несколько, - писал К. Штермер в своей книге "Проблемы полярных сияний". Обычно отголосок, подобно сигналу, также имел три тире, иногда они сливались, случалось также, что отголосок затягивался в более длительный звук, чем сигнал. Высота звука была та же, что и сигнала".
Именно здесь, в квартире Халльса в Бигде, ученый записал промежутки времени между сигналами и отголосками: это и были те самые серии К. Штермера, которые впоследствии неоднократно публиковались в разных газетах и журналах. А вот свидетельство ученого: "Отмеченные мной периоды времени не имеют притязания на точность, поскольку я не был достаточно подготовлен, но они дают, по крайней мере, качественное представление о данном явлении. По словам Халльса, он до моего прихода наблюдал несколько отголосков через 3 секунды".
В этих свидетельствах норвежского ученого особенно важными представляются упоминания о "размывании" сигналов (следствие их долгого путешествия в ионизированной среде) и о приеме Халльсом других отголосков, не зарегистрированных К. Штермером (знаменитые серии К. Штермера, оказывается, неполны).
Еще одно важное обстоятельство, неоднократно отмеченное К. Штермером, разная сила отголосков. Некоторые едва просматривались на осциллографической ленте и были заметно слабее при воспроизведении громкоговорителем.
Вывод, который нельзя не сделать, обдумывая результаты опытов К. Штермера, состоит вот в чем: разной задержке сигналов соответствовала разная их сила и разная степень "размытия". Этого не было бы, если бы сигналы посылались из одной точки пространства, например, с борта гипотетическою летательного аппарата или зонда (хотя последний случай требует некоторых оговорок относительно скорости и направления его предполагаемого движения).
Двадцать пятого октября К. Штермер зарегистрировал несколько сигналов с очень большой задержкой (до 25 секунд). Затем эхо исчезло. По уже в феврале 1929 года оно снова наблюдалось. В мае французские исследователи Галле и Талон зарегистрировали около 2 000 отголосков, причем задержка достигала 30 секунд. Они также слышали слабые и сильные сигналы. Результаты их наблюдении опубликованы: это довольно сложная таблица, в которой нельзя уловить какую-либо закономерность в распределении сильных и слабых импульсов.
К. Штермер объяснил результаты опытов исходя из своей теории движения заряженных корпускул в магнитном поле Земли. Это, вообще говоря, не то же самое, что объяснять эхо отражением от ионосферы.
В 1947 году были впервые зарегистрированы отражения радиоволн от полярных сияний. Но появление сполохов как раз и связано с потоками солнечных корпускул. И это позволяет оценить всю глубину взглядов, высказанных норвежским ученым в самом начале тридцатых годов. Уже в конце 1928 года, опираясь на разработанную им теорию движения заряженных частиц, он предсказал, что эхо, по всей вероятности, будет отсутствовать до середины февраля. Так оно и получилось. Прогноз блестяще оправдался.
В заметке, опубликованной в журнале "Нейчур" 5 января 1929 года, К. Штермер приводит расчеты, относящиеся к интенсивности корпускулярных потоков от Солнца, и показывает, что "с конца октября и до середины февраля высота светила над горизонтом недостаточна для образования ливней частиц. Эхо возникает лишь при наличии некоторых благоприятных условий". Какие же это условия? "Математическая теория показывает, что эти благоприятные условия наступают в том случае, когда корпускулы исходят от Солнца, стоящего вблизи магнитной экваториальной плоскости". В своих работах ученый показал, что, попадая в магнитное поле Земли, частицы могут попасть в такую зону пространства, которую им покинуть уже не удастся. Они концентрируются в большом торе, охватывающем земной шар. Стенки тора служат своеобразным зеркалом для радиоволн, и не просто зеркалом, а концентратором, собирающим их и посылающим в немногих направлениях. Именно поэтому радиоволны могут путешествовать по естественному волноводу долгое время, и после многих отражений К. Штермеру удавалось принять их на Земле.
Интересно вспомнить первые шаги науки о движении солнечных корпускул и вызываемых этим движением полярных сияний (и, как видим, некоторых других эффектах и явлениях).
В 1716 году Галлей публикует в "Философских трудах Королевского общества" гипотезу, объясняющую "небесные видения" движением вдоль магнитных силовых линий Земли некоторой субстанции, которую он именует "магнетическими парами". До него считали, что сияния сродни свечению паров серы, исходящих из земных недр. Насколько объяснение Галлея обогнало свое время (особенно если заменить "магнетические пары" современным термином "электрические заряды"), видно хотя бы из заглавия одной любопытной брошюры, опубликованной одновременно с докладом Галлея. Эта брошюра, принадлежащая перу некоего Морфью, называлась так: "Очерк, касающийся последнего видения в небесах шестого марта. Доказательство математическими, логическими и моральными аргументами, что оно не могло быть вызвано просто обычным ходом явлений природы, а с необходимостью должно быть чудом. Смиренно предлагается на рассмотрение Королевского общества".
Много позже наука смогла объяснить зависимость частоты и силы полярных сияний от солнечной активности. Подсчет полярных сияний за последние 200 лет позволил открыть солнечные циклы разной продолжительности, включая одиннадцатилетний. Поток солнечных корпускул, связанный со вспышками и пятнами, также цикличен. 1928 год был как раз годом повышенной солнечной активности, точнее - годом максимума активности нашего светила. Достаточно сказать, что солнечных пятен было зарегистрировано в тринадцать раз больше, чем в 1923 году.
К. Штермер открыл, что самые высокие "детали" сияний - это освещенные солнцем (из-за большой высоты) лучи. Они простираются вверх за пределы земной тени, до тысячекилометрового рубежа.
Потоки частиц от Солнца воздействуют на ионосферу. В качестве примера, иллюстрирующего это воздействие, можно упомянуть о снижении "электронного зеркала" одного из слоев ионосферы на 10-15 километров, которое было обнаружено Р. Брейсуэллом.
Общая картина происходящего во время солнечных вспышек и несколько позже (корпускулы достигают Земли с опозданием) может быть очень сложной. Однако заниматься ее подробным анализом имело бы смысл в том случае, если не нашлось бы более простого и естественного объяснения, данного самим Штермером.
Итак появление "загадочного эха" не всегда может вызвать удивление у радиоспециалистов, знакомых с причудами распространения радиоволн. Трудно усмотреть в этом явлении, обследованном К. Штермером, парадокс. Совсем наоборот, если принять в качестве рабочей гипотезы допущение о космическом зонде, о "зеленых человечках", то придется изрядно поломать голову над объяснением "размытия", искажения и изменения силы сигналов.
Конечно, сказанное вовсе не означает, что автор этих строк отрицает всякую возможность межзвездного контакта с помощью зондов, посылаемых в отдаленные миры разумными существами.
* * *
И все же это первые радиосигналы из космоса. Ведь земные импульсы прошли огромные расстояния, прежде чем отразились и вернулись обратно на Землю. Но вернулись они уже не те; они были совсем не похожи на сигналы, посланные радиостанцией Ван дер Поля. Взаимодействуя с электронами, с другими частицами, потоками энергии и разреженного вещества высоко над планетой, они изменились, преобразовались. Они несли уже информацию о космосе. Так возвращаются души преображенные.
...Надеюсь, читатель, уже слышавший или читавший об эффекте Штермера, не пожалеет времени на знакомство с историей вопроса и первыми публикациями по этой теме. Самое же интересное состоит в том, что до поры до времени журналисты и любители астрономии как будто забыли о разгадке, данной самим Штермером, которому в период повального увлечения марсианами и в голову не пришло призвать их на помощь.
Но если бы это не было забыто, автор этих строк прочитал бы готовый ответ - в беглом изложении журналистов. Результаты были бы иными, тривиальными. Решусь спросить теперь читателя: увидел ли он в объяснении, данном самим Штермером, что-нибудь относящееся к управляемому термояду?
Еще несколько страниц - и автор этих строк ответит на тот же вопрос вполне самостоятельно.
КОЛЬЦО ШТЕРМЕРА
Высокотемпературная плазма должна быть достаточно устойчивой. Если ее не удержать на какое-то время - реакция синтеза легких ядер не даст энергии или даст ее меньше, чем затрачено на работу установки. Это главное условие. С ним прямо связано и второе условие: концентрация (плотность) частиц плазмы должна быть довольно высокой. Американский физик Дж.Д. Лоусон сформулировал критерий: произведение времени удержания плазмы на плотность ее частиц должно быть выше порогового значения. Если это так, то устройство термоядерного синтеза отдает больше энергии, чем получает. Он нашел и численное значение этого порога. За это ведут борьбу физики. Для термояда нужна плазма с температурой примерно 60 миллионов градусов. Плотность дейтериево-тритиевой смеси при этом составляет 1014 частиц на один кубический сантиметр. А время удержания подчиняется условию или критерию Лоусона:
nty > 1014 cm-3c
Отсюда, впрочем, определяется любая из величин, если другая задана: n плотность частиц, ty - время удержания плазмы.
При названных величинах время удержания составляет одну секунду. Этого в принципе достаточно, чтобы процесс пошел с позитивным балансом и энергию можно было отвести.
Плазма не должна касаться стенок рабочей камеры, иначе она мгновенно охладится и реакция синтеза остановится - при низкой температуре (относительно низкой, разумеется) у легких ядер не будет достаточной энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания, и они не будут сливаться друг с другом. Кроме того, даже легкое касание стенок "отравляет" плазму посторонними примесями, а это тоже препятствие на пути синтеза ядер.
Вот почему специалисты сразу пришли к решению использовать камеры в виде тороидов-бубликов. При этом кольцевой жгут плазмы замкнут сам на себя, у него нет "торцов" - ни начала, ни конца. От остальной поверхности он отделяется магнитным полем, которое создает как бы стенки тороидальной емкости.
Так устроены, например, ловушки-токамаки. В этих приборах через плазму пропускается ток. Он создает магнитное поле, которое участвует в формировании удерживающей магнитной поверхности. Иначе устроены другие ловушки - стеллараторы. В них есть внешние винтообразные обмотки с проводом, которые окружают тороид камеры. По ним-то вместо плазмы и пропускается ток для создания удерживающих сил. Их преимущество - ток не зависит от состояния плазмы. Преимущество токамаков - ток помимо создания магнитного удерживающего поля еще и нагревает плазму, повышает ее температуру, что является необходимым условием синтеза ядер. И уже получены температуры в десятки миллионов градусов. Впервые токамаки были созданы в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова.
Вот уже не одно десятилетие физики возлагают надежды на магнитные ловушки обоих типов - в нашем отечестве и в США. Некоторые успехи налицо, но они даются все большей ценой, и продвижение вперед давно уже напоминает неспешное соревнование черепахи с Ахиллесом, как бы олицетворяющим требования времени. А ведь после решения проблемы удержания плазмы на повестку дня встанут вопросы экономичности. А нынешние монстры-ловушки плазмы меньше всего ассоциируются с реальностью и инженерной практикой.
Между тем можно предложить иной путь. Причем могут найти применение даже созданные устройства - новые, возможно, не понадобятся. Этот путь основан на принципиально новом методе использования горячей плазмы, которая до сих пор применяется в режиме флюктуаций. Эти флюктуации - принципиальная особенность нынешних процессов термоядерного синтеза. Ведь хаотическое движение частичек происходит и в токамаках и в стеллараторах. Оно обусловлено высокой температурой, которая превосходит температуру многих звезд. Образно говоря, температура - это движение, причем хаотическое, случайное. Это и есть флюктуации.
Перейдем на образный язык. Картина такова, как будто некто гладит тигра, но его шерсть вопреки этому дыбится. Плазму можно уподобить тигру. И чем больше ток в токамаке, тем выше температура плазмы и тем больше флюктуации. Тигр неукротим. Его шерсть неминуемо то там, то здесь касается стенок ловушки - и все пропало.
У меня создалось впечатление, что расчет флюктуаций в плазме ловушек невероятно сложен, упрощенные же расчеты физиков не достигают цели, не отражают реальной картины. В этом - почти непреодолимая трудность. Да, можно предложить способы укрощения тигра, но они приведут, боюсь, к рождению нового поколения монстров-укротителей, совершенно нереальных в воплощении, тем более - в инженерной практике.
Рождение высокотемпературной плазмы - тепловые флюктуации - гибель плазмы. Таков порочный круг, разорвать который нельзя до тех пор, пока мы используем флюктуирующую плазму. Сложилось впечатление, что физики, с которыми я беседовал, плохо знакомы с теорией случайных процессов. Решения задач о пересечении случайным процессом заданных уровней им неведомы. Эти решения (как и другие) они заменяют верой в чудо: больше энергии, больше наблюдений - и все произойдет само собой, плазма будет удержана. Однако единичные удержания даже на секунды не могут внушить оптимизма. Об этом и говорит теория случайных процессов.
Но если нельзя разорвать порочный круг, потому что любая нагретая плазма флюктуирует, то о каком новом пути ее использования можно говорить? Такого пути, очевидно, не должно существовать вообще.
Тем не менее закономерные чудеса в физике все же возможны. Законы газовой динамики свидетельствуют: горячую плазму можно свернуть в кольцо. В этом кольце плазма должна вращаться по винтовой линии, повторяя внутренние очертания ловушки - на некотором расстоянии от ее стенок. Вместе с этим винтовым движением плазма должна вращаться вокруг центра тороидальной ловушки, по большому кругу. Это внешне похоже на винт, замкнутый сам на себя, или на пружину, свернутую в кольцо.
И еще это напоминает смерч, замкнутый точно так же на себя, или змею, кусающую собственный хвост (если отвлечься от вращения по винтовой линии). Простой смерч достаточно устойчив, кольцевой - намного устойчивее, а если есть еще винтообразное движение, то он практически неразрушим и формирует сам себя, вовлекая в свое тело новые и новые порции вещества. При этом давление внутри его падает до очень низких значении, а его винтовое вращение сжимает его стенки до предела.
Я мог бы написать уравнения и формулы, но, думаю, специалист поймет и так, а формулы были бы препятствием не только для неискушенного читателя, но и для иного физика, незнакомого с темой.
Расчеты показывают, что в таком режиме можно достичь сверхзвуковых скоростей винтового движения плазмы. Стенки плазмы приобретают при этом свойства твердого тела. Это кажется парадоксом, но именно это утверждают теория и расчеты. Так я пришел к модели "почти твердой" плазмы. Ее флюктуации сведены к минимуму. Частицы ее как бы вморожены во вращающиеся стенки. Таким же свойством обладают "стенки" смерчей. Не раз замечено, что попавшие в смерч предметы вращаются вместе и падают вместе; гигантские атмосферные вихри, словно по просьбе или молитве, опускают на землю неразрушенные дома и крыши, которые они поднимают в воздух.
Но смерч линеен, а плазма кольцевая, ее начало сходится с концом. Внешне как в токамаке, но только стенки этого полого кольца вращаются - в этом отличие.
Итак, замороженная плазма. Почти твердая кольцевая конструкция, если говорить инженерным языком. С ней и нужно работать физикам. Это и есть тот путь, на который некогда вступил автор этих строк. И тут, я думаю, сыграли роль и ассоциации с эффектом Штермера. Он первым описал кольцо плазмы в виде тора. В своих работах он рисовал эту змею, кусающую свой хвост. Она опоясывает земной шар. Он рассчитал ее устойчивость. Мне оставалось лишь перейти к высоким температурам и давлениям, к сверхзвуковым скоростям вращения тела змеи вокруг ее собственного позвоночника.
Так сигналы из космоса дали первый толчок. Родилась мысль об использовании нефлюктуирующей или почти нефлюктуирующей плазмы (энергия флюктуаций в ней намного меньше энергии вращения).
ПРОЕКТ: УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯД
Плазма капризна, и поведение ее непредсказуемо в целом ряде ситуаций. Отдаленно она напоминает о бушующем море, рисунок поверхности которого постоянно меняется, а глубинные течения и водовороты невидимы. Эта аналогия глубже, чем кажется на первый взгляд, ведь в воде есть и электрически заряженные частицы, ионы, причем иногда их концентрация велика. До некоторой степени вода тоже плазма.
Используя законы газовой динамики, как выяснено выше, из плазмы можно сформировать вращающийся тороид, причем вращение происходит по винтовой линии - то есть само тело тороида кажется неподвижным, но все частицы плазмы на его поверхности следуют по этой траектории. Внутри тороида - почти вакуум. Этот вакуум изолирован от объема ловушки стенками тороида. Они плазменные, эти стенки, но очень плотные, напоминают твердое тело. И вместе с тем частицы в них движутся.
Так мы пришли к результатам, сравнить которые уместно с тем же движением воды. Примерно так она движется в трубе смерча над морем. (Он, правда, разомкнут, не свит в кольцо.) Менее точная, зато гораздо более простая аналогия знакома каждому - это вращение воды в ванне у сливного отверстия, когда ее остается немного. Воздух втягивается вниз, в отверстие, а вода образует вертикальные вращающиеся стенки как бы вопреки даже закону гравитации. На самом деле, конечно, ни один из законов не нарушается. Просто и здесь вращение стремится создать пустоту, в нее входит воздух - в большей или меньшей степени.
Я мог бы описать несколько способов формирования вращающейся плазмы, но это уже технические детали. Достаточно сказать, что тороидальные вихри могут быть получены с помощью звуковых волн в цилиндрических вращающихся конструкциях ловущек, с использованием переменного или пульсирующего электрического поля, магнитов, питаемых по программе. Последние два способа используются уже в тороидальных камерах, а не в цилиндрических. Мне кажется, заслуживает внимания и механический подход - кольцевая турбина в сечении тороида позволит достигнуть цели, поскольку плазма стягивается в полый кольцевой жгут меньшего диаметра, чем сечение ловушки или диаметр кольца турбины. Отверстие в центре турбины - это круг почти такого же поперечника, как и сечение ловушки, внутри его вращается плазма.
Мы, таким образом, уже перешли к техническим проектам устройств управляемого термоядерного синтеза.
Давление, или, точнее, плотность плазмы в стенках тороида, который она образует, очень значительное. Время удержания тоже велико - из-за эффекта "вмороженности" плазмы в стенки, о чем уже говорилось. Однако критерий Лоусона для такой плазмы, по-видимому, не дает полного ответа. Это происходит потому, что движение частиц плазмы иное, оно упорядоченное или "почти упорядоченное", а раз так, то флюктуации играют скромную роль. Именно поэтому известные из теории флюктуирующей плазмы закономерности и формулы перестают "работать".
Это очень интересно само по себе, но наше внимание сейчас сосредоточено на реальном техническом воплощении этого необычного проекта. Поэтому без долгих экскурсов в физику нефлюктуирующей, но движущейся плазмы вообразим, что в полое внутри кольцо вращающейся, как указано, плазмы, сбоку, извне падает луч лазера. Он возбуждает частицы плазмы на внешней поверхности тороида, сообщает им энергию. Если лазер мощный, то энергии достаточно для процесса синтеза. Легкие ядра сливаются. Выделяется энергия термояда. Такое лазерное зондирование может оказаться очень удобным, к тому же вращающаяся плазма уже готова к реакциям синтеза - ее плотность велика.
Расчеты показывают, что проект с лазером вполне работоспособен даже при сверхзвуковых скоростях движения плазмы (по винтовой линии). Лазер является удобным инструментом управления процессом термоядерного синтеза в этом варианте ловушки.
Исходя из описанной схемы можно оценить размеры устройства. Внешний диаметр его может быть несколько менее трех метров, и реакции синтеза все же будут идти так, что термоядерная энергия будет поступать во внешний контур. Такое малогабаритное устройство с укрощенным термоядом можно установить на самолет, на автомобиль или корабль, на катер или спутник. Импульсный режим позволит не создавать избытка энергии.
Кроме лазера или двух, нужны еще контрольные приборы, устройства отвода энергии, и в конце концов, если представить себе всю конструкцию, то можно прийти к знакомым физикам очертаниям циклотрона. Внешнее сходство, однако, обманчиво. Внутри - не безобидный пучок заряженных частиц, а грозный термояд, тот самый тигр, которого пытается запрячь уже второе поколение исследователей. Ради наглядности я все же попытался - с минимальными издержками - свести конструкцию к привычной наглядной схеме.
Если плазма "подогревается" лазерами, то, вероятнее всего, лучше всего покажут себя кольцевые формирующие устройства типа турбины. В первые моменты процесса формирования плазма неизбежно "отравляется" материалом лопаток, но регулировка режима лазеров (в автоматическом режиме изменяются частота импульсов и мощность) вводит процесс в рабочую зону. На первый взгляд это примитивно - использовать турбины, напоминающие простые вентиляторы, в таких ответственных установках. Но именно простота может сделать их незаменимыми на всех видах транспорта.
ГЛАВНЫЙ СЕКРЕТ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Физикам известны сейчас четыре вида сил: гравитационные, электромагнитные, слабые и ядерные (или сильные). Для понимания процессов в термоядерной установке описанного типа важен единый подход. Деление сил на четыре вида - лишь условность. На самом деле есть лишь взаимодействие движущегося эфира. В зависимости от направленности (взаимной) потоков эфира и формы движения (хаотической или упорядоченной) и возникают четыре типа полей и взаимодействий. Но это лишь видимость. Суть одна - движение эфира.
Сами частицы плазмы являются, согласно эфиродинамическим представлениям, эфирными вихрями. Это относится и к электронам.
Физики мечтали о единой теории поля и пока не расстаются с мечтой. В 1928 году Эйнштейн пришел к мысли, что силы сцепления, не позволяющие электрону распасться, имеют гравитационную природу (Б о р н М. Атомная физика. М.: Мир, 1970. С. 77).
Шредингер в 1943 году попытался развить эту мысль, конечная же цель такого подхода - создание единой теории электромагнитного и гравитационного поля.
М. Борн пишет: "При выполнении этой программы была проявлена огромная изобретательность и математическое искусство, но без каких-либо удовлетворительных результатов. Одна из причин неудачи кроется, очевидно, в различии масштабов сил, соответствующих двум видам полей".
В декабре 1927 года К. Штермер договорился с Эндховеном о сеансах радиопередачи. Первые опыты начались в январе. Прием вели две станции: в Форнебо и Кигде. Обе станции располагались близ Осло. Станция в Нигде - это станция уже знакомого нам инженера Халльса. Радиопередатчик в Эндховене посылал сигналы через каждые пять секунд. Они регистрировались с помощью осциллографа. Очень ясно фиксировались импульсы Эндховена. Тогда же было обнаружено и несколько других сигналов, "которые могли вызваться атмосферными пертурбациями или же эхом". Во время опытов Иорген Халльс часто звонил по телефону К. Штермеру, чтобы сообщить о своих наблюдениях. Он слышал гораздо больше запаздывающих сигналов, чем отмечала станция в Форнебо. Это, по всей видимости, объясняется тем, что у него был очень чувствительный радиоприемник (Халльс вел прием сигналов на громкоговоритель).
Летом того же года состоялась встреча К. Штермера с Ван дер Полем, работавшим в Эндховене. Они договорились посылать стандартные телеграфные посылки (три импульса, три тире). Период повторения таких тройных посылок составлял 20 секунд. От осциллографа решено было отказаться (немаловажную роль в этом решении сыграл успешный опыт Халльса).
Одиннадцатого октября в 15 часов 30 минут К. Штермер услышал отчетливое эхо. Через несколько минут позвонил Халльс, и Штермер немедленно направился к нему. Громкоговоритель отчетливо воспроизводил эхо.
"Как правило, каждый сигнал давал один отголосок, а иногда даже несколько, - писал К. Штермер в своей книге "Проблемы полярных сияний". Обычно отголосок, подобно сигналу, также имел три тире, иногда они сливались, случалось также, что отголосок затягивался в более длительный звук, чем сигнал. Высота звука была та же, что и сигнала".
Именно здесь, в квартире Халльса в Бигде, ученый записал промежутки времени между сигналами и отголосками: это и были те самые серии К. Штермера, которые впоследствии неоднократно публиковались в разных газетах и журналах. А вот свидетельство ученого: "Отмеченные мной периоды времени не имеют притязания на точность, поскольку я не был достаточно подготовлен, но они дают, по крайней мере, качественное представление о данном явлении. По словам Халльса, он до моего прихода наблюдал несколько отголосков через 3 секунды".
В этих свидетельствах норвежского ученого особенно важными представляются упоминания о "размывании" сигналов (следствие их долгого путешествия в ионизированной среде) и о приеме Халльсом других отголосков, не зарегистрированных К. Штермером (знаменитые серии К. Штермера, оказывается, неполны).
Еще одно важное обстоятельство, неоднократно отмеченное К. Штермером, разная сила отголосков. Некоторые едва просматривались на осциллографической ленте и были заметно слабее при воспроизведении громкоговорителем.
Вывод, который нельзя не сделать, обдумывая результаты опытов К. Штермера, состоит вот в чем: разной задержке сигналов соответствовала разная их сила и разная степень "размытия". Этого не было бы, если бы сигналы посылались из одной точки пространства, например, с борта гипотетическою летательного аппарата или зонда (хотя последний случай требует некоторых оговорок относительно скорости и направления его предполагаемого движения).
Двадцать пятого октября К. Штермер зарегистрировал несколько сигналов с очень большой задержкой (до 25 секунд). Затем эхо исчезло. По уже в феврале 1929 года оно снова наблюдалось. В мае французские исследователи Галле и Талон зарегистрировали около 2 000 отголосков, причем задержка достигала 30 секунд. Они также слышали слабые и сильные сигналы. Результаты их наблюдении опубликованы: это довольно сложная таблица, в которой нельзя уловить какую-либо закономерность в распределении сильных и слабых импульсов.
К. Штермер объяснил результаты опытов исходя из своей теории движения заряженных корпускул в магнитном поле Земли. Это, вообще говоря, не то же самое, что объяснять эхо отражением от ионосферы.
В 1947 году были впервые зарегистрированы отражения радиоволн от полярных сияний. Но появление сполохов как раз и связано с потоками солнечных корпускул. И это позволяет оценить всю глубину взглядов, высказанных норвежским ученым в самом начале тридцатых годов. Уже в конце 1928 года, опираясь на разработанную им теорию движения заряженных частиц, он предсказал, что эхо, по всей вероятности, будет отсутствовать до середины февраля. Так оно и получилось. Прогноз блестяще оправдался.
В заметке, опубликованной в журнале "Нейчур" 5 января 1929 года, К. Штермер приводит расчеты, относящиеся к интенсивности корпускулярных потоков от Солнца, и показывает, что "с конца октября и до середины февраля высота светила над горизонтом недостаточна для образования ливней частиц. Эхо возникает лишь при наличии некоторых благоприятных условий". Какие же это условия? "Математическая теория показывает, что эти благоприятные условия наступают в том случае, когда корпускулы исходят от Солнца, стоящего вблизи магнитной экваториальной плоскости". В своих работах ученый показал, что, попадая в магнитное поле Земли, частицы могут попасть в такую зону пространства, которую им покинуть уже не удастся. Они концентрируются в большом торе, охватывающем земной шар. Стенки тора служат своеобразным зеркалом для радиоволн, и не просто зеркалом, а концентратором, собирающим их и посылающим в немногих направлениях. Именно поэтому радиоволны могут путешествовать по естественному волноводу долгое время, и после многих отражений К. Штермеру удавалось принять их на Земле.
Интересно вспомнить первые шаги науки о движении солнечных корпускул и вызываемых этим движением полярных сияний (и, как видим, некоторых других эффектах и явлениях).
В 1716 году Галлей публикует в "Философских трудах Королевского общества" гипотезу, объясняющую "небесные видения" движением вдоль магнитных силовых линий Земли некоторой субстанции, которую он именует "магнетическими парами". До него считали, что сияния сродни свечению паров серы, исходящих из земных недр. Насколько объяснение Галлея обогнало свое время (особенно если заменить "магнетические пары" современным термином "электрические заряды"), видно хотя бы из заглавия одной любопытной брошюры, опубликованной одновременно с докладом Галлея. Эта брошюра, принадлежащая перу некоего Морфью, называлась так: "Очерк, касающийся последнего видения в небесах шестого марта. Доказательство математическими, логическими и моральными аргументами, что оно не могло быть вызвано просто обычным ходом явлений природы, а с необходимостью должно быть чудом. Смиренно предлагается на рассмотрение Королевского общества".
Много позже наука смогла объяснить зависимость частоты и силы полярных сияний от солнечной активности. Подсчет полярных сияний за последние 200 лет позволил открыть солнечные циклы разной продолжительности, включая одиннадцатилетний. Поток солнечных корпускул, связанный со вспышками и пятнами, также цикличен. 1928 год был как раз годом повышенной солнечной активности, точнее - годом максимума активности нашего светила. Достаточно сказать, что солнечных пятен было зарегистрировано в тринадцать раз больше, чем в 1923 году.
К. Штермер открыл, что самые высокие "детали" сияний - это освещенные солнцем (из-за большой высоты) лучи. Они простираются вверх за пределы земной тени, до тысячекилометрового рубежа.
Потоки частиц от Солнца воздействуют на ионосферу. В качестве примера, иллюстрирующего это воздействие, можно упомянуть о снижении "электронного зеркала" одного из слоев ионосферы на 10-15 километров, которое было обнаружено Р. Брейсуэллом.
Общая картина происходящего во время солнечных вспышек и несколько позже (корпускулы достигают Земли с опозданием) может быть очень сложной. Однако заниматься ее подробным анализом имело бы смысл в том случае, если не нашлось бы более простого и естественного объяснения, данного самим Штермером.
Итак появление "загадочного эха" не всегда может вызвать удивление у радиоспециалистов, знакомых с причудами распространения радиоволн. Трудно усмотреть в этом явлении, обследованном К. Штермером, парадокс. Совсем наоборот, если принять в качестве рабочей гипотезы допущение о космическом зонде, о "зеленых человечках", то придется изрядно поломать голову над объяснением "размытия", искажения и изменения силы сигналов.
Конечно, сказанное вовсе не означает, что автор этих строк отрицает всякую возможность межзвездного контакта с помощью зондов, посылаемых в отдаленные миры разумными существами.
* * *
И все же это первые радиосигналы из космоса. Ведь земные импульсы прошли огромные расстояния, прежде чем отразились и вернулись обратно на Землю. Но вернулись они уже не те; они были совсем не похожи на сигналы, посланные радиостанцией Ван дер Поля. Взаимодействуя с электронами, с другими частицами, потоками энергии и разреженного вещества высоко над планетой, они изменились, преобразовались. Они несли уже информацию о космосе. Так возвращаются души преображенные.
...Надеюсь, читатель, уже слышавший или читавший об эффекте Штермера, не пожалеет времени на знакомство с историей вопроса и первыми публикациями по этой теме. Самое же интересное состоит в том, что до поры до времени журналисты и любители астрономии как будто забыли о разгадке, данной самим Штермером, которому в период повального увлечения марсианами и в голову не пришло призвать их на помощь.
Но если бы это не было забыто, автор этих строк прочитал бы готовый ответ - в беглом изложении журналистов. Результаты были бы иными, тривиальными. Решусь спросить теперь читателя: увидел ли он в объяснении, данном самим Штермером, что-нибудь относящееся к управляемому термояду?
Еще несколько страниц - и автор этих строк ответит на тот же вопрос вполне самостоятельно.
КОЛЬЦО ШТЕРМЕРА
Высокотемпературная плазма должна быть достаточно устойчивой. Если ее не удержать на какое-то время - реакция синтеза легких ядер не даст энергии или даст ее меньше, чем затрачено на работу установки. Это главное условие. С ним прямо связано и второе условие: концентрация (плотность) частиц плазмы должна быть довольно высокой. Американский физик Дж.Д. Лоусон сформулировал критерий: произведение времени удержания плазмы на плотность ее частиц должно быть выше порогового значения. Если это так, то устройство термоядерного синтеза отдает больше энергии, чем получает. Он нашел и численное значение этого порога. За это ведут борьбу физики. Для термояда нужна плазма с температурой примерно 60 миллионов градусов. Плотность дейтериево-тритиевой смеси при этом составляет 1014 частиц на один кубический сантиметр. А время удержания подчиняется условию или критерию Лоусона:
nty > 1014 cm-3c
Отсюда, впрочем, определяется любая из величин, если другая задана: n плотность частиц, ty - время удержания плазмы.
При названных величинах время удержания составляет одну секунду. Этого в принципе достаточно, чтобы процесс пошел с позитивным балансом и энергию можно было отвести.
Плазма не должна касаться стенок рабочей камеры, иначе она мгновенно охладится и реакция синтеза остановится - при низкой температуре (относительно низкой, разумеется) у легких ядер не будет достаточной энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания, и они не будут сливаться друг с другом. Кроме того, даже легкое касание стенок "отравляет" плазму посторонними примесями, а это тоже препятствие на пути синтеза ядер.
Вот почему специалисты сразу пришли к решению использовать камеры в виде тороидов-бубликов. При этом кольцевой жгут плазмы замкнут сам на себя, у него нет "торцов" - ни начала, ни конца. От остальной поверхности он отделяется магнитным полем, которое создает как бы стенки тороидальной емкости.
Так устроены, например, ловушки-токамаки. В этих приборах через плазму пропускается ток. Он создает магнитное поле, которое участвует в формировании удерживающей магнитной поверхности. Иначе устроены другие ловушки - стеллараторы. В них есть внешние винтообразные обмотки с проводом, которые окружают тороид камеры. По ним-то вместо плазмы и пропускается ток для создания удерживающих сил. Их преимущество - ток не зависит от состояния плазмы. Преимущество токамаков - ток помимо создания магнитного удерживающего поля еще и нагревает плазму, повышает ее температуру, что является необходимым условием синтеза ядер. И уже получены температуры в десятки миллионов градусов. Впервые токамаки были созданы в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова.
Вот уже не одно десятилетие физики возлагают надежды на магнитные ловушки обоих типов - в нашем отечестве и в США. Некоторые успехи налицо, но они даются все большей ценой, и продвижение вперед давно уже напоминает неспешное соревнование черепахи с Ахиллесом, как бы олицетворяющим требования времени. А ведь после решения проблемы удержания плазмы на повестку дня встанут вопросы экономичности. А нынешние монстры-ловушки плазмы меньше всего ассоциируются с реальностью и инженерной практикой.
Между тем можно предложить иной путь. Причем могут найти применение даже созданные устройства - новые, возможно, не понадобятся. Этот путь основан на принципиально новом методе использования горячей плазмы, которая до сих пор применяется в режиме флюктуаций. Эти флюктуации - принципиальная особенность нынешних процессов термоядерного синтеза. Ведь хаотическое движение частичек происходит и в токамаках и в стеллараторах. Оно обусловлено высокой температурой, которая превосходит температуру многих звезд. Образно говоря, температура - это движение, причем хаотическое, случайное. Это и есть флюктуации.
Перейдем на образный язык. Картина такова, как будто некто гладит тигра, но его шерсть вопреки этому дыбится. Плазму можно уподобить тигру. И чем больше ток в токамаке, тем выше температура плазмы и тем больше флюктуации. Тигр неукротим. Его шерсть неминуемо то там, то здесь касается стенок ловушки - и все пропало.
У меня создалось впечатление, что расчет флюктуаций в плазме ловушек невероятно сложен, упрощенные же расчеты физиков не достигают цели, не отражают реальной картины. В этом - почти непреодолимая трудность. Да, можно предложить способы укрощения тигра, но они приведут, боюсь, к рождению нового поколения монстров-укротителей, совершенно нереальных в воплощении, тем более - в инженерной практике.
Рождение высокотемпературной плазмы - тепловые флюктуации - гибель плазмы. Таков порочный круг, разорвать который нельзя до тех пор, пока мы используем флюктуирующую плазму. Сложилось впечатление, что физики, с которыми я беседовал, плохо знакомы с теорией случайных процессов. Решения задач о пересечении случайным процессом заданных уровней им неведомы. Эти решения (как и другие) они заменяют верой в чудо: больше энергии, больше наблюдений - и все произойдет само собой, плазма будет удержана. Однако единичные удержания даже на секунды не могут внушить оптимизма. Об этом и говорит теория случайных процессов.
Но если нельзя разорвать порочный круг, потому что любая нагретая плазма флюктуирует, то о каком новом пути ее использования можно говорить? Такого пути, очевидно, не должно существовать вообще.
Тем не менее закономерные чудеса в физике все же возможны. Законы газовой динамики свидетельствуют: горячую плазму можно свернуть в кольцо. В этом кольце плазма должна вращаться по винтовой линии, повторяя внутренние очертания ловушки - на некотором расстоянии от ее стенок. Вместе с этим винтовым движением плазма должна вращаться вокруг центра тороидальной ловушки, по большому кругу. Это внешне похоже на винт, замкнутый сам на себя, или на пружину, свернутую в кольцо.
И еще это напоминает смерч, замкнутый точно так же на себя, или змею, кусающую собственный хвост (если отвлечься от вращения по винтовой линии). Простой смерч достаточно устойчив, кольцевой - намного устойчивее, а если есть еще винтообразное движение, то он практически неразрушим и формирует сам себя, вовлекая в свое тело новые и новые порции вещества. При этом давление внутри его падает до очень низких значении, а его винтовое вращение сжимает его стенки до предела.
Я мог бы написать уравнения и формулы, но, думаю, специалист поймет и так, а формулы были бы препятствием не только для неискушенного читателя, но и для иного физика, незнакомого с темой.
Расчеты показывают, что в таком режиме можно достичь сверхзвуковых скоростей винтового движения плазмы. Стенки плазмы приобретают при этом свойства твердого тела. Это кажется парадоксом, но именно это утверждают теория и расчеты. Так я пришел к модели "почти твердой" плазмы. Ее флюктуации сведены к минимуму. Частицы ее как бы вморожены во вращающиеся стенки. Таким же свойством обладают "стенки" смерчей. Не раз замечено, что попавшие в смерч предметы вращаются вместе и падают вместе; гигантские атмосферные вихри, словно по просьбе или молитве, опускают на землю неразрушенные дома и крыши, которые они поднимают в воздух.
Но смерч линеен, а плазма кольцевая, ее начало сходится с концом. Внешне как в токамаке, но только стенки этого полого кольца вращаются - в этом отличие.
Итак, замороженная плазма. Почти твердая кольцевая конструкция, если говорить инженерным языком. С ней и нужно работать физикам. Это и есть тот путь, на который некогда вступил автор этих строк. И тут, я думаю, сыграли роль и ассоциации с эффектом Штермера. Он первым описал кольцо плазмы в виде тора. В своих работах он рисовал эту змею, кусающую свой хвост. Она опоясывает земной шар. Он рассчитал ее устойчивость. Мне оставалось лишь перейти к высоким температурам и давлениям, к сверхзвуковым скоростям вращения тела змеи вокруг ее собственного позвоночника.
Так сигналы из космоса дали первый толчок. Родилась мысль об использовании нефлюктуирующей или почти нефлюктуирующей плазмы (энергия флюктуаций в ней намного меньше энергии вращения).
ПРОЕКТ: УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯД
Плазма капризна, и поведение ее непредсказуемо в целом ряде ситуаций. Отдаленно она напоминает о бушующем море, рисунок поверхности которого постоянно меняется, а глубинные течения и водовороты невидимы. Эта аналогия глубже, чем кажется на первый взгляд, ведь в воде есть и электрически заряженные частицы, ионы, причем иногда их концентрация велика. До некоторой степени вода тоже плазма.
Используя законы газовой динамики, как выяснено выше, из плазмы можно сформировать вращающийся тороид, причем вращение происходит по винтовой линии - то есть само тело тороида кажется неподвижным, но все частицы плазмы на его поверхности следуют по этой траектории. Внутри тороида - почти вакуум. Этот вакуум изолирован от объема ловушки стенками тороида. Они плазменные, эти стенки, но очень плотные, напоминают твердое тело. И вместе с тем частицы в них движутся.
Так мы пришли к результатам, сравнить которые уместно с тем же движением воды. Примерно так она движется в трубе смерча над морем. (Он, правда, разомкнут, не свит в кольцо.) Менее точная, зато гораздо более простая аналогия знакома каждому - это вращение воды в ванне у сливного отверстия, когда ее остается немного. Воздух втягивается вниз, в отверстие, а вода образует вертикальные вращающиеся стенки как бы вопреки даже закону гравитации. На самом деле, конечно, ни один из законов не нарушается. Просто и здесь вращение стремится создать пустоту, в нее входит воздух - в большей или меньшей степени.
Я мог бы описать несколько способов формирования вращающейся плазмы, но это уже технические детали. Достаточно сказать, что тороидальные вихри могут быть получены с помощью звуковых волн в цилиндрических вращающихся конструкциях ловущек, с использованием переменного или пульсирующего электрического поля, магнитов, питаемых по программе. Последние два способа используются уже в тороидальных камерах, а не в цилиндрических. Мне кажется, заслуживает внимания и механический подход - кольцевая турбина в сечении тороида позволит достигнуть цели, поскольку плазма стягивается в полый кольцевой жгут меньшего диаметра, чем сечение ловушки или диаметр кольца турбины. Отверстие в центре турбины - это круг почти такого же поперечника, как и сечение ловушки, внутри его вращается плазма.
Мы, таким образом, уже перешли к техническим проектам устройств управляемого термоядерного синтеза.
Давление, или, точнее, плотность плазмы в стенках тороида, который она образует, очень значительное. Время удержания тоже велико - из-за эффекта "вмороженности" плазмы в стенки, о чем уже говорилось. Однако критерий Лоусона для такой плазмы, по-видимому, не дает полного ответа. Это происходит потому, что движение частиц плазмы иное, оно упорядоченное или "почти упорядоченное", а раз так, то флюктуации играют скромную роль. Именно поэтому известные из теории флюктуирующей плазмы закономерности и формулы перестают "работать".
Это очень интересно само по себе, но наше внимание сейчас сосредоточено на реальном техническом воплощении этого необычного проекта. Поэтому без долгих экскурсов в физику нефлюктуирующей, но движущейся плазмы вообразим, что в полое внутри кольцо вращающейся, как указано, плазмы, сбоку, извне падает луч лазера. Он возбуждает частицы плазмы на внешней поверхности тороида, сообщает им энергию. Если лазер мощный, то энергии достаточно для процесса синтеза. Легкие ядра сливаются. Выделяется энергия термояда. Такое лазерное зондирование может оказаться очень удобным, к тому же вращающаяся плазма уже готова к реакциям синтеза - ее плотность велика.
Расчеты показывают, что проект с лазером вполне работоспособен даже при сверхзвуковых скоростях движения плазмы (по винтовой линии). Лазер является удобным инструментом управления процессом термоядерного синтеза в этом варианте ловушки.
Исходя из описанной схемы можно оценить размеры устройства. Внешний диаметр его может быть несколько менее трех метров, и реакции синтеза все же будут идти так, что термоядерная энергия будет поступать во внешний контур. Такое малогабаритное устройство с укрощенным термоядом можно установить на самолет, на автомобиль или корабль, на катер или спутник. Импульсный режим позволит не создавать избытка энергии.
Кроме лазера или двух, нужны еще контрольные приборы, устройства отвода энергии, и в конце концов, если представить себе всю конструкцию, то можно прийти к знакомым физикам очертаниям циклотрона. Внешнее сходство, однако, обманчиво. Внутри - не безобидный пучок заряженных частиц, а грозный термояд, тот самый тигр, которого пытается запрячь уже второе поколение исследователей. Ради наглядности я все же попытался - с минимальными издержками - свести конструкцию к привычной наглядной схеме.
Если плазма "подогревается" лазерами, то, вероятнее всего, лучше всего покажут себя кольцевые формирующие устройства типа турбины. В первые моменты процесса формирования плазма неизбежно "отравляется" материалом лопаток, но регулировка режима лазеров (в автоматическом режиме изменяются частота импульсов и мощность) вводит процесс в рабочую зону. На первый взгляд это примитивно - использовать турбины, напоминающие простые вентиляторы, в таких ответственных установках. Но именно простота может сделать их незаменимыми на всех видах транспорта.
ГЛАВНЫЙ СЕКРЕТ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Физикам известны сейчас четыре вида сил: гравитационные, электромагнитные, слабые и ядерные (или сильные). Для понимания процессов в термоядерной установке описанного типа важен единый подход. Деление сил на четыре вида - лишь условность. На самом деле есть лишь взаимодействие движущегося эфира. В зависимости от направленности (взаимной) потоков эфира и формы движения (хаотической или упорядоченной) и возникают четыре типа полей и взаимодействий. Но это лишь видимость. Суть одна - движение эфира.
Сами частицы плазмы являются, согласно эфиродинамическим представлениям, эфирными вихрями. Это относится и к электронам.
Физики мечтали о единой теории поля и пока не расстаются с мечтой. В 1928 году Эйнштейн пришел к мысли, что силы сцепления, не позволяющие электрону распасться, имеют гравитационную природу (Б о р н М. Атомная физика. М.: Мир, 1970. С. 77).
Шредингер в 1943 году попытался развить эту мысль, конечная же цель такого подхода - создание единой теории электромагнитного и гравитационного поля.
М. Борн пишет: "При выполнении этой программы была проявлена огромная изобретательность и математическое искусство, но без каких-либо удовлетворительных результатов. Одна из причин неудачи кроется, очевидно, в различии масштабов сил, соответствующих двум видам полей".