Ирина Радунская - Безумные идеи

...Способ сортировки молекул с различной энергией был известен после работ немецкого ученого Штерна и применялся в некоторых лабораториях. Физики использовали то обстоятельство, что многие молекулы и атомы ведут себя как крошечные магнитики. Причем их поведение в магнитном поле тесно связано с величиной внутренней энергии атома или молекулы. Слабенькие молекулы и магнитные «способности» имеют небольшие. Сильные, обладающие большим запасом энергии, и магнитную силу имеют более значительную.

На этом и решил сыграть Штерн. Он предложил выпускать пучок атомов серебра между полюсами сильного магнита так, чтобы они пересекали силовые линии магнитного поля. Штерн организовал, таким образом, «естественный» отбор, который должны пройти атомы. А чтобы они не могли мешать друг другу, он решил выпускать их в пустоту через узкую щель по очереди. Так они могли лететь, не сталкиваясь между собой.

Когда впервые был поставлен этот опыт, зрители могли воочию наблюдать картину «борьбы» между атомами серебра и силовым полем магнита. Водоворот магнитного поля захлестывал их, как прибой пловцов. Сильные пловцы обычно выбираются на берег, а слабых втягивает в пучину. Так и стихая магнитных сил по-своему расправлялась с атомами серебра. Более слабые из них втягивались в область сильного магнитного поля, другие, более сильные, выталкивались из этой области. Поле рассортировало атомы. Оно оказалось своеобразным стрелочником, направляющим по различным путям атомы с различным запасом энергии.

Со временем было обнаружено, что сортировка возможна и для молекул, не обладающих заметными магнитными свойствами, но являющихся в некотором отношении электрическими аналогами магнитной стрелки.

Имеется большое количество молекул – их называют дипольными, – которые построены так, что входящие в них положительные и отрицательные заряды немного сдвинуты в пространстве. Такие молекулы можно уподобить маленькой палочке, один конец которой имеет положительный заряд, а другой – отрицательный. На школьных уроках физики часто показывают опыт с наэлектризованными палочками, сделанными из сердцевины веток бузины.

Если пучок, то есть поток не сталкивающихся между собой дипольных молекул, пропускать между пластинами электрического конденсатора так, чтобы они летели вдоль пластин, пересекая поле, если придать пластинам подходящую форму, то пучок молекул расщепится на ряд пучков в зависимости от энергии молекул.

Так физики, используя свойства молекул и свойства электрических и магнитных полей, научились делать то, что Максвелл считал выходящим за пределы человеческих возможностей. Они научились сортировать молекулы. Отбирать из сосуда с молекулами те из них, которые обладают определенными энергетическими свойствами, например те, энергия которых больше, чем у остальных. Физики уже не раз использовали эту возможность для изучения строения молекул, атомов и атомных ядер.

Даром ничего не дается

Итак, первая часть пути была проторенной. По ней и пошли московские физики. Они решили направить пучок молекул аммиака через электрический конденсатор специальной формы, создающий сильное электрическое поле. Под действием этого поля пучок распадется на несколько пучков, в каждом из которых будут лететь молекулы с различными запасами энергии. Теперь можно с помощью заслонки с отверстием отделить тот пучок, в котором летят нужные молекулы – молекулы, обладающие высоким уровнем энергии, готовые излучить часть энергии, если они попадут в подходящие для этого условия.

Наконец можно было вздохнуть с облегчением – проблема сортировки была решена. Но...

Может возникнуть вопрос: не является ли эта сортировка, приводящая к отделению молекул более энергичных от менее энергичных, вызовом второму закону термодинамики? Не попали ли Басов и Прохоров со своей работой в компанию его нарушителей?

Или Максвелл ошибся? Неужели удалось осуществить то, что он считал невозможным? Нет, дело не в этом. Конечно, нет.

Дело в том, что конденсатор, который на первый взгляд так же могуществен, как Максвеллов дьявол, выбирает молекулы не из сосуда, где они мечутся в беспорядке. Эти молекулы не вьются вокруг конденсатора хаотически, как бывает в естественных условиях, а их специально предварительно загнали в сосуд, сжали большим давлением, а уж потом выпустили из сосуда через диафрагму с отверстиями поочередно, подвели под самый нос конденсатора, и ему осталось лишь их опознать.

И на то, чтобы сжать газ, уже была затрачена энергия. Без затраты энергии это смог бы сделать только дьявол. Вернее, этого хотели от него добиться изобретатели теплового вечного двигателя.

Басов и Прохоров, применив сортировку молекул, вовсе и не стремились получить энергию, да еще бесплатно. Но они получили не менее ценный результат – пучок молекул, способный излучать радиоволны. Пучок, в котором молекулы-передатчики отделены от нахлебников – молекул-приемников, способных лишь поглощать энергию.

Таким образом, Басов и Прохоров не шли против законов природы, не получали энергию ни из чего. Они, честно затратив ее и использовав законы природы, шли к своей цели.

А целью была вовсе не сама сортировка. Это было лишь промежуточным этапом. Получить пучок молекул, обладающих избыточной энергией, было далеко не все. Надо было, чтобы молекулы излучили эту энергию в виде радиоволны; молекулы же, свободно летящие в таком пучке, отнюдь не стремятся немедленно излучить свою избыточную энергию. В таких условиях они могли бы лететь около года, прежде чем половина из них излучит радиоволны. А за это время молекулы могут пролететь сотни миллионов километров.

В сосуде же приемлемых размеров время полета молекул составляет примерно одну десятитысячную или в крайнем случае одну тысячную долю секунды. Поэтому излучить радиоволны за это время успеет только одна из каждого миллиарда пролетающих молекул.

Ясно, что мощность радиоволн, излучаемых таким ничтожным количеством молекул, столь мала, что ее невозможно обнаружить. Как же тогда заставить молекулы излучать внутри небольшого прибора? Ясно, это была нелегкая проблема.

Да и разрешима ли она вообще? Не так ли она безнадежна, как создание галактического генератора на атомах водорода?

Не будем гадать. Посмотрим, как справились с ней Басов и Прохоров.

Радиобочка

Где же выход? – задавали они друг другу один и тот же вопрос. Как заставить молекулы излучать имеющийся у них избыток энергии за малое время, не прибегая к вспомогательным источникам радиоволн?

Как видите, природа выдвигает все новые и новые препятствия на пути исследователей. Но если природа неисчерпаема, то неисчерпаема и человеческая изобретательность.

Нужно, решили наши герои, создать такие условия, чтобы сами молекулы заставляли друг друга излучать. Нужно создать процесс, который можно уподобить цепной реакции, например реакции горения. Одна частица горючего, воспламенившись, поджигает другие, и в результате в горелке возникает пламя. Это пламя будет бушевать до тех пор, пока подается горючее.

Сделаем так, сказали они, чтобы одна молекула, излучив энергию, заставила этим излучать и другие молекулы. Чтобы все они оказались вынужденными принять участие в этом процессе.

Это можно сделать, но не в свободном пространстве, а заставив молекулы пролетать сквозь полость в куске металла, через своего рода металлическую бочку.

Крикните в пустую бочку – она тотчас ответит вам гулким басом. Пустая бочка из сложных звуков, например из шума, выделяет и подчеркивает в основном басовые тона. Это происходит потому, что воздух, заключенный в бочке, способен к интенсивным колебаниям именно с частотой этих звуков.

Если сделать металлическую коробку, она будет резонировать с радиоволнами примерно так же, как пустая бочка или органная труба со звуком. Такую металлическую полость радиоинженеры называют объемным резонатором. Каждый объемный резонатор откликается только на радиоволны вполне определенных частот. Если в него попадают радиоволны этих частот, поле внутри резонатора усиливается. Тем самым металлическая полость способна накапливать сравнительно большие запасы электромагнитной энергии.

Даже если в резонатор не поступает электромагнитная энергия извне, в нем всегда присутствует слабое электромагнитное поле, создаваемое даже при комнатной температуре тепловым излучением стенок резонатора.

Если заставить молекулы какого-либо газа, находящиеся на высшем энергетическом уровне, пролетать сквозь резонатор, то они попадут под действие слабого электромагнитного поля, создаваемого тепловым излучением нагретых стенок. Хотя это поле и слабо, тем не менее оно заставит молекулы излучать свою энергию за гораздо меньшее время, чем в свободном пространстве. Многие из них успеют излучить радиоволны во время пролета в резонаторе, и излученная энергия останется внутри него. Таким путем резонатор постепенно накапливает энергию, излучаемую пролетающими сквозь него молекулами.