Квант. Путеводитель для запутавшихся

Раз уж я затронул тему энергоресурсов, теперь самое время описать еще одно применение квантовой механики. Ядерная энергетика в настоящее время производит одну шестую мирового электричества (а во Франции этот показатель составляет почти две трети). В основе ядерной энергетики лежит идея о реакции распада, в ходе которой тяжелые ядра поглощают нейтроны, в результате чего распадаются надвое и высвобождают энергию. В процессе они производят новые нейтроны, которые поглощаются соседними ядрами, после чего те тоже распадаются, поддерживая цепную реакцию. Получаемое в результате этих реакций тепло используется для превращения воды в пар, который толкает турбины, вырабатывающие электричество.

Более чистым способом извлечения энергии, заключенной в ядре атома, является обратный процесс. В реакции синтеза два легких ядра сталкиваются и образуют более крупное и более стабильное ядро. Это достигается посредством высвобождения огромного количества энергии, которую можно использовать. Эта энергия «термоядерного синтеза» служит источником тепла и света от Солнца и представляет собой причину сияния звезд.

Начинающаяся с двух ядер водорода (отдельных протонов) последовательность шагов приводит к формированию ядра гелия (два протона и два нейтрона – альфа-частица). Проблема заключается в том, что два протона отталкиваются, если их не столкнуть – то есть если не обеспечить квантовое туннелирование сквозь энергетический барьер между ними. Для этого нам необходимо создать крайне экстремальные условия высокой температуры и плотности – внутри Солнца проблем с этим не возникает, но в лаборатории на Земле поддерживать их очень сложно.

Интересно отметить, что первый шаг в процессе синтеза внутри Солнца предполагает совместное участие всех четырех сил природы. Гравитационная сила притяжения между всей материей обеспечивает достаточно плотное расположение водорода для увеличения шансов на синтез двух протонов, в то время как притягивающее сильное взаимодействие побеждает отталкивающую электромагнитную силу и сводит их еще ближе. Но так как два протона не могут навсегда связаться друг с другом, а протон и нейтрон – могут, одному из протонов приходится подвергнуться бета-распаду и превратиться в нейтрон, для чего в дело и вступает слабое взаимодействие. Как только это произошло, мы получаем связанные протон и нейтрон.

Ядро, состоящее только из протона и нейтрона, называется дейтроном и представляет собой ядро тяжелого изотопа водорода – дейтерия. Дейтрон сыграл важную роль в развитии ядерной физики. Это простейшее составное ядро – меньше него лишь одиночный протон или нейтрон, – а потому оно служит опытным образцом для изучения свойств ядерной силы, которая удерживает нуклоны вместе внутри ядра. С помощью него также можно изучать взаимодействие с другими ядрами, чтобы исследовать их свойства. При подготовке докторской мне повезло иметь своим научным руководителем Рона Джонсона, одного из ведущих мировых экспертов по строению и реакционным характеристикам дейтрона, из-за чего в студенческой среде за ним закрепилось прозвище Дейтрон Джонсон.

Как только дейтроны формируются внутри Солнца, они могут вступать в реакцию синтеза с другими протонами и образовывать ядра гелия. Для этого дейтронам и протонам необходимо туннелировать сквозь их обоюдный кулоновский барьер.

Исследование синтеза с участием дейтерия и трития (еще более тяжелого изотопа водорода, ядра которого состоят из одного протона и двух нейтронов) проводятся во многих странах. В настоящее время «порог самоокупаемости» уже пройден, то есть в результате процесса синтеза производится больше энергии, чем необходимо для создания начальных условий, требуемых для синтеза ядер. Следующим шагом станет поддержание условий синтеза в течение более чем краткой доли секунды!

Реакторы синтеза не только обладают бесконечным запасом топлива (воды), но и производят гораздо менее опасные отходы, чем реакторы ядерного распада. Именно поэтому большинство самых богатых стран инвестировало и продолжает инвестировать огромные средства в эти исследования, несмотря на медленный прогресс.

Квантовая механика в медицине

Мне не перечислить всех применений квантовой механики в медицине, от рентгеновских лучей до лазерной хирургии, поэтому я кратко опишу лишь два. Одно использует квантово-механический спин ядер, в то время как другое предполагает применение антивещества для создания карты мозга.