Поиск - новости науки и техники

Тяжелый свет. Ученые научились с помощью лазерного излучения создавать давления в сотни миллиардов атмосфер.

Мы давим, на нас давят. Не только в переносном – прежде всего, в самом прямом смысле. Мы живем в мире, где господствует давление. Открыл дверь, нажал на клавишу, взвалил на плечи рюкзак – в каждом случае одно тело действует на другое, а значит, возникает явление, которое физики и называют давлением. Ученые изучают разные его виды, но особый интерес представляют для них процессы, в которых замешаны силы высшего порядка. Проще говоря, – речь идет о давлениях в тысячи и миллионы атмосфер.
Как такие неимоверные силы влияют на состояние вещества и на внутреннее строение Земли и звезд? Что может дать моделирование этих процессов в лабораторных условиях? Ответы на эти и массу других вопросов ищут и находят ученые, работающие в области физики высоких давлений. Многие годы посвятил изучению подобных проблем директор Объединенного института высоких температур РАН академик-секретарь Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН Владимир ­Фортов. С известным ученым встретился наш корреспондент.
– Для начала замечу, что использовать высокие давления человек научился давно, – говорит Владимир Евгеньевич. – Вспомним хорошо известное библейское предание о Давиде и Голиафе. Место действия – восточный берег Средиземного моря, время – три тысячи лет назад. Во время поединка пастух Давид камнем из пращи убивает великана Голиафа. Пастух не силач, обычный человек, значит, вес снаряда, которым он пользуется, тоже обычный в таких случаях – где-то 200 граммов. Раскрученный с помощью пращи, он летит со скоростью примерно 20 метров в секунду и в момент встречи с препятствием (лбом филистимлянского воина) создает давление в полторы тысячи атмосфер. Это даже больше, чем на дне 11-километровой Марианской впадины. Понятно, что такой силы удара вполне достаточно, чтобы сокрушить череп великана.
Эта схема воздействия, придуманная тысячи лет назад, до сих пор служит ученым. Но сейчас применяются более мощные и совершенные ускорительные устройства с использованием химических и ядерных взрывчатых веществ, электродинамические “пушки”, лазерное, ионное излучение и прочее. Традиционно физика высоких давлений имеет приложения в военном деле, производстве высокопрочных материалов, ракетных двигателей, в других сферах человеческой деятельности. Ну и, конечно, в фундаментальных исследованиях без нее не обойтись.
– И эти исследования позволяют узнать что-то новое об окружающем нас мире?
– Безусловно. Надо заметить, что мы живем в очень комфортных по человеческим меркам условиях. На земной поверхности температура не сильно отличается от комнатной, а давление – всего одна атмосфера. Но основная часть вещества в природе сосредоточена в звездах и других массивных космических объектах. Даже внутри такой небольшой планеты, как наша, давление достигает трех миллионов атмосфер, а вещество нагрето до шести тысяч градусов. Но практически добраться до центра Земли и узнать, что там происходит, пока не удается. (Глубина рекордной скважины, пробуренной еще в советское время на Кольском полуострове, составила всего 12 километров). Единственный выход – с помощью лабораторных методов понять, как меняются свойства обычных веществ при высоких давлениях, а затем, используя геофизические данные о скоростях сейсмических волн, составить наиболее правдоподобную модель внутреннего строения Земли. Еще не так давно некоторые ученые сомневались в существовании внутри планеты железного ядра. Они полагали, что там могут также находиться различные соединения кремния и других веществ, которые при очень высоком давлении могли бы иметь плотность железа и даже выше. Многочисленные эксперименты с сильно сжатыми материалами, проведенные учеными РАН и Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики, позволили “отсеять” силикатные модели.
– Как же удается создавать высокие давления?
– Есть два способа: статический и динамический. В первом случае вещество сжимается под действием мощных прессов и находится в таком состоянии длительное время, что очень удобно для проведения измерений. Но достижения здесь ограничены прочностью материалов. Ведь даже алмазные наковальни начинают разрушаться при давлении порядка миллиона атмосфер. Динамические методы более разнообразны и ограничены только фантазией экспериментатора и мощностью генератора. А принципиальная схема та же, что и три тысячи лет назад. При помощи ударника в исследуемом веществе возбуждаются ударные волны. Материя сжимается до экстремального состояния только на краткое время. И нужно успеть измерить все ее параметры. При ядерном взрыве, например, давление достигает миллиардов атмосфер. Кстати, мировой рекорд в этом направлении принадлежит нашим ученым из ядерного центра в Снежинске.
В конце XX века ученым представилась уникальная возможность (следующий случай будет, скорее всего, через несколько десятков тысяч лет) наблюдать один из самых грандиозных экспериментов в космосе. Я имею в виду столкновение кометы Шумейкера-Леви с Юпитером. При попадании ее фрагментов в атмосферу планеты-гиганта выделилась энергия порядка десяти миллионов мегатонн в тротиловом эквиваленте, что в тысячи раз превышает весь накопленный человечеством ядерный потенциал. Наблюдения этого процесса позволило уточнить внутреннее строение Юпитера.
– А с самими кометами проводились активные эксперименты?
– В 1986 году советские космические аппараты “Вега-1”, “Вега-2” и европейский “Джотто” пролетели рядом с кометой Галлея. Они сфотографировали ее ядро с близкого расстояния и исследовали вещество, испаряющееся с поверхности. А в 2005 году зонд НАСА “Дип импэкт” выстрелил с близкого расстояния медным ударником по комете Templ-1, чтобы наблюдавшие за этим событием астрономы всего мира смогли определить состав ее недр. И ученых ждал сюрприз. Оказалось, вещество кометы претерпело в прошлом ряд химических превращений и совсем не походило на “первозданный” лед.
– Исследователям в области физики высоких давлений удалось, как я знаю, уточнить сложившиеся представления о строении и планетах Солнечной системы?
– Одна из самых важных космогонических проблем – происхождение Земли. Но ее решение связано с исследованиями других планет, таких как газовые гиганты Юпитер и Сатурн. Еще совсем недавно ученые, строя модели их недр, использовали теоретические расчеты. Однако эксперименты со сжатым водородом показали, что уже при давлениях более миллиона атмосфер он переходит в металлическое состояние. Поэтому внутреннее строение Юпитера пришлось пересмотреть.
– Какие максимальные давления уже достигнуты в лабораторных экспериментах?
– В самом начале прошлого века российский физик Петр Николаевич Лебедев при помощи очень точных крутильных весов сумел впервые измерить давление света. Прошло 100 лет, и теперь для получения самых высоких давлений используется именно свет. Это стало возможным благодаря изобретению метода чирпирования и созданным на его основе сверхмощным лазерам. В общих чертах принцип, который в них применяется, выглядит так. Берется мощный и короткий лазерный импульс и “растягивается” во времени. Затем он усиливается обычной активной средой и попадает на нелинейный элемент, где снова сжимается по времени. В результате плотность электромагнитного излучения возрастает в миллион раз. Именно так получены давления в сотни миллиардов атмосфер, что сопоставимо с условиями в центре Солнца.
Одна из наиболее интересных разработок в этом направлении – проект, выполняемый в Российском федеральном ядерном центре (Саров) и Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород), где сейчас завершаются работы по созданию квантового генератора с пиковой мощностью два петаватта (пета – миллион миллиардов). Такие лазеры находят широкое применение в ядерной физике, и не исключено, что именно в этом направлении следует ожидать многих интересных и принципиально новых результатов.

Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев