В поисках чуда (с илл.)

— Если удастся добиться плотности в десятки триллионов частиц на кубический сантиметр, можно будет считать, что мы успешно справились с задачей, — говорит академик Л. А. Арцимович. — Разумеется, нужны еще хорошие способы нагревания частиц до сверхвысоких температур. Обращает на себя внимание предложенный Завойским новый метод, в котором для нагревания плазмы используется ее же начальная неустойчивость, исчезающая после такого ее применения.

Оказалось, что можно не просто обезвреживать неустойчивости, но и заставлять их делать доброе дело!

Плазма — чрезвычайно своеобразная субстанция.

От обычного газа она отличается тем, что ее частички заряжены и потому особенно неравнодушны друг к другу, откликаются на малейшие электрические и магнитные воздействия. Но если парные взаимоотношения (например, столкновения) частиц целиком определяют собой свойства газа, то здесь они не играют практически никакой роли. Зато дают себя знать коллективные взаимодействия, когда отдельные скопища ионов или электронов, плазменные сгущения и разрежения выступают как единое целое и активно влияют друг на друга.

Этими явлениями увлекся молодой сотрудник Института ядерной физики (Новосибирск) Р. 3. Сагдеев, ныне член-корреспондент АН СССР. В 1962 году, в тридцатилетнем возрасте, он защитил докторскую диссертацию. Темой для нее он избрал свои теоретические изыскания, согласно которым ударные волны (они несутся со сверхзвуковой скоростью, вызывая сильное сжатие среды) могут возникать и распространяться в разреженной плазме, несмотря на то, что она представляет собой эфемерное, неощутимо бесплотное облачко. Могут, ибо она обладает вполне достаточной упругостью, обусловленной ее специфическими свойствами. Но самое интересное в том, что ударная волна, обычно такая устойчивая, долго не затухающая, здесь, в условиях коллективных взаимодействий, подвержена неустойчивости, способна расплываться, «угасать», даже опрокидываться подобно морскому валу, когда над ним вырастает пенный гребень, загибающийся вперед, а затем падающий к подножию водяного холма. Но, умирая, она передает свою мощь частицам, переводит их потоки, коллективные смещения в беспорядочную суету. На эту особенность обратил внимание академик Е. К. Завойский. Ведь хаотизация плазмы не что иное, как ее разогревание!

В то же время действие сверхбыстрой ударной волны настолько скоротечно, что, задав электронам и ионам хорошую «встряску», разгорячив их, оно не успеет разрушить облачко, хотя и вызовет в нем мимолетные неустойчивости. Именно так — мгновенными мощными импульсами магнитного и электрического поля — в лаборатории Завойского было осуществлено турбулентное нагревание плазмы. Температура ядер поднималась до 30 миллионов градусов, а электронов — до 2 миллиардов!

В наши дни четвертое состояние вещества подвергнуто тщательному теоретическому анализу. Основой расчетов здесь служит знаменитое «уравнение Власова», названное по имени советского ученого, профессора МГУ. В изучении коллективных взаимодействий и неустойчивостей большая заслуга принадлежит харьковчанам Я. Б. Файнбергу и его коллегам.

Интересно: один из двух главных эффектов, к которым сводятся почти все виды неустойчивостей (а их около двадцати), был открыт еще в 1934 году молодым аспирантом профессора С. И. Вавилова Павлом Черенковым. Речь идет об особом свечении, которое испускал электрон, пронизывая какую-то среду.

И. Е. Тамм и И. М. Франк подметили, что скорость электрона при этом превосходила световую.

Разумеется, не в пустоте, а именно в той среде, какую использовал Черенков. За эти исследования Черенков, Тамм и Франк удостоены Нобелевской премии.

Свет в любом твердом, жидком и газообразном (прозрачном) теле распространяется медленнее, чем в абсолютном вакууме. Скажем, в воде он сбавляет свою скорость на четверть. Между тем весьма энергичные электроны в той же среде способны двигаться заметно быстрее: их «темп» порой лишь на десятую долю меньше, чем у того же света в пустоте. И если в вакууме ни одна частица не способна нестись наравне с фотоном, то здесь электрон берет реванш.

Потому-то он и порождает электромагнитные волны, даже если двигается равномерно и прямолинейно. (В других случаях такая возможность исключена. Скажем, в пустоте электрон излучает кванты только тогда, когда он меняет скорость или направление.)

Ситуация напоминает полет артиллерийского снаряда со сверхзвуковой скоростью. Фронт звуковых волн от него имеет форму конуса: сбоку он схож с «усами», разбегающимися по реке от носа катера.

Неспроста мины (реактивные самолеты, ракеты тоже) «воют». По аналогии с ними черенковские электроны получили прозвище «поющих». Кстати, это электромагнитное «бельканто» тоже принимает коническую форму — наподобие светящегося колокола.

Излучение Вавилова — Черенкова легко видеть невооруженным глазом: вода, служащая замедлителем в ядерных реакторах, пронизывается потоками быстрых бета-частиц и вся охвачена голубоватым сиянием.