Высокие энергии начинаются с одного электрона

Магнитные бутылки с концентрическими силовыми линиями магнитных полей.

Народная мудрость гласит, что если уж взялся за гуж, то есть взвалил на себя ношу, то не говори, что не дюж. В словаре поясняется, что гуж – это важная часть упряжи, ее соединения с оглоблями. В одном из романов Владимира Набокова герой чертит gouge (рисует) что-то на песке тростью, проводит черту или границу.

Любопытно, что это слово закрепилось и в профессиональном словаре физиков-ядерщиков, оперирующих квантами высоких энергий, имеющих длину волны, которая значительно меньше, чем у электрона. Это свойство весьма важно в электронной микроскопии. Так, с помощью электронного микроскопа ученые выявили клеточные органеллы, а с помощью фотонов высоких энергий смогли отличить участки античного папируса, покрытые чернилами. Благодаря этому в Вюрцбургском университете началось чтение одного из обугленных папирусов Геркуланума с текстом Филодима – «любящего людей, народ». В чтении текста «О пороках», написанного современником Цезаря и Цицерона, ученым помогал искусственный интеллект.

Первым жидкий водород, после охлаждения газа до очень низких температур, получил в 1898 году шотландский физико-химик Джеймс Дьюар, изобретатель знаменитого сосуда, названного его именем – сосуд Дьюара. В этой бутылке-термосе может храниться и жидкий азот.

За два года до шотландца француз Анри Беккерель увидел пятна засветки фотопластинок, на которых лежал кусок урановой соли. Так была открыта радиоактивность, при которой испускаются ядра гелия, содержащие два протона. В другом варианте распада, например кобальта-60 (Co-60), испускаются имеющие гораздо меньшую энергию бета-частицы, или ядерные электроны. Третий тип излучения представляет собой не частицы в традиционном смысле слова, а излучение, то есть гамма-кванты (фотоны).

Споры о природе света (потока фотонов) и квантов излучений в итоге привели к формированию понятия «волновой пакет». Он сочетает в себе свойства частиц и волн. Много позже нобелевский лауреат, американский физик-теоретик Мари Гелл-Манн постулировал идею существования кварков. Эти частицы имеют дробный положительный или отрицательный заряд. Кварки могут менять заряд, в результате чего из ядра Co-60 вылетает «ядерный» электрон и атом «сдвигает» свое положение в таблице Менделеева на одну клетку влево.

Между тем первым объединителем надо считать британского физика и механика XIX века Джеймса Максвелла. Он заявил, что свет есть взаимодействие с помощью фотонов взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Распад Со-60 с «вылетом» электрона представляет собой пример слабого взаимодействия, переносчиком которого является «слабый» (weak) калибровочный бозон (W). Этот бозон еще называют… gouge (гуж).

Процесс сопровождается испусканием частицы чрезвычайно малой энергии, которую Энрико Ферми предложил назвать нейтрино (по аналогии с итальянским «бамбино» – ребенок, малыш). В природе существует также и сильное взаимодействие, переносимое в ядре между кварками и соединяющими, «склеивающими» их глюонами, сильным-strong бозоном.

Стандартная система представляет собой таблицу – напоминающую менделеевскую – известных на сегодня частиц и трех взаимодействий. При этом особняком стоит гравитация с ее полем (полями?), воздействие которой передают волны, постулированные еще Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО) в начале ХХ века. Реальность гравитационных волн была доказана совсем недавно. И это подтвердило идеи великого физика-теоретика, потратившего 30 лет на создание единой теории поля, или ТВ – «теории всего», объединяющей все силы и взаимодействия.

Сегодня в университете финского г. Аалто предложена квантовая теория гравитации, призванная объединить все взаимодействия. Результаты этой работы опубликованы в майском, за 2025 год, выпуске журнала Reports on Progress in Physics. Авторы исходят из известного факта, что еще до первой регистрации гравитационных волн точные определения величин всемирного тяготения позволили создать нынешние системы навигации, понять сингулярность черных дыр в центрах галактик, а также предсказать Большой взрыв (Big Bang) и экспоненциальное расширение пространства после Big Bang.

Один из сенсоров телескопа КМ3NeT. Иллюстрации Physorg

Речь, в частности, идет об идентификации нейтрино, регистрируемых размещенными на дне моря у берегов Сицилии и Тулона детекторами черенковского света КМ3NeT. Подводная обсерватория представляет собой нейтринный телескоп (NeT), объем которого равен кубическому километру (КМ3). Они созданы в марсельском Центре физики элементарных частиц для регистрации частиц, приходящих не только от Солнца, но и из глубин космоса.

Сегодня перед земной цивилизацией стоит проблема энергообеспечения. Нынешнее ее решение предполагает истощение жизненно важных ресурсов углеводородного топлива. И это при том, что энергия имеется в неограниченном количестве буквально под ногами. Речь, конечно же, о термояде. Протекание реакции термоядерного синтеза в недрах Солнца и звезд обеспечивает жизнь на нашей планете и потоки космических частиц в атмосфере Земли.

Решение проблемы реализации в земных условиях управляемой термоядерной реакции уже семь десятилетий видится в создании специальных сложнейших установок – тороидальных камер (токамаков). В них высокотемпературная плазма удерживается магнитными полями. Но оказалось, что все не так просто, поскольку между известными по школе силовыми линиями могут возникать дырки (holes). Это приводит к снижению плотности плазмы.

Сотрудники Техасского университета в г. Остин и лаборатории в Лос-Аламосе предлагают вместо токамаков  стелларатор звездообразной формы, использующий для удержания плазмы внешние магнитные поля. Дело в том, что в токамаке генерируются электронные пучки высокой энергии, которые могут даже пробить дырку в его стенках «бублика» (тороидальной камеры). А стелларатор для удержания электрон-протонной плазмы – это магнитная бутылка наподобие дьюаровского сосуда. Подробное изложение концепции стелларатора для термоядерного синтеза представлено в журнале Physical Revie Letters.

В Лос-Аламосе, где некогда были сделаны первые атомные бомбы, уже разрабатывают технические задания для строительства первого стелларатора. Пока же авторы «гоняют» мощные компьютеры, моделируя поведение больших популяций частиц в магнитных устройствах различной конфигурации, в том числе и магнитных бутылках. Заодно проверяется и возможность полного удержания синтезированных в ходе термояда альфа-частиц, способных пробивать дырки в магнитных полях. n