сверхпроводящий квантовый интерферометр). В СКВИДах используются компоненты, называемые джозефсоновскими контактами, которые немного напоминают туннельные диоды. Но вместо двух полупроводниковых полосок джозефсоновский контакт состоит из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолирующим слоем. Куперовские пары могут с легкостью проходить сквозь этот слой, благодаря чему СКВИД становится невероятно чувствительным к мельчайшим изменениям магнитных полей. Это устройство используется в том числе в медицине, где при помощи него изучается активность мозга, для чего ведется наблюдение за магнитными полями, создаваемыми мельчайшими электротоками, соответствующими отдельным нейронам.
Наконец, одной из самых оживленных областей физических исследований в последние пятнадцать лет была сфера высокотемпературной сверхпроводимости. Иметь сверхпроводящий материал очень выгодно, однако его температуру нужно поддерживать на таком низком уровне, зачастую с использованием жидкого гелия[71], что для практического применения он часто становится неудобен. В 1986 году был обнаружен определенный тип керамики, который обладает сверхпроводящими свойствами при температурах до 100 К. (Это все еще на 173° градуса ниже температуры замерзания воды!) Текущие исследования в этой области затрагивают три проблемы: существуют ли материалы, характеризующиеся сверхпроводимостью при комнатной температуре, являются ли эти материалы ковкими металлами, так как керамика слишком хрупкая, чтобы ее можно было растянуть в проводящие электричество провода, и, наконец, что именно заставляет эти материалы вести себя таким образом при таких (относительно) высоких температурах.
Если нам когда-либо удастся сделать электрические провода их сверхпроводящего при комнатной температуре материала, цена электричества резко упадет. В настоящее время электричество характеризуется достаточно низкой энергоэффективностью, что отчасти объясняется энергетическими потерями в форме тепла, отдаваемого при сопротивлении кабелями передачи, которые опутывают землю. Используя сверхпроводящие кабели, мы могли бы с гораздо большей эффективностью передавать в пять раз большее напряжение, а следовательно, могли бы позволить существенно сократить потребление ископаемых источников топлива.
Энергия из ядер
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.
Принципы техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР) полвека назад были разработаны американскими физиками и уже многие годы использовались для проведения спектроскопии в химии. Идея заключается в измерении концентрации различных атомов в материалах на основании излучения их ядер при перенаправлении их квантового спина в магнитном поле. Многие ядра вращаются (квантовомеханически) из-за совокупного спина составляющих их протонов и нейтронов. Ось вращения ядра, как стрелка компаса, становится параллельно линиям воздействующего на нее внешнего магнитного поля. В зависимости от направления спина (в свободном классическом смысле) мы можем посчитать эту ось указывающей в одну или в другую сторону вдоль линий магнитного поля. Это направление спина называется просто: «спин вверх» или «спин вниз». Некоторые ядра затем индуцируются для разворота спина под действием высокочастотного сигнала колеблющегося магнитного поля. Возвращаясь к начальной ориентации, они высвобождают крошечное количество энергии, специфичной для этого типа ядра.
Большая часть материалов, таких как органическое вещество, из которого сформированы наши тела, состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из различных видов атомов. Применяя технику, называемую «построением проекций», ЯМР-сигналы от постоянных разворотов спина определенных атомов можно использовать для создания изображений внутреннего строения человеческого тела. Этот метод практически не причиняет человеку вреда, поскольку, в отличие от рентгеновской томографии, в этом случае тело не подвергается воздействию вредного ионизирующего излучения. Несмотря на это аппараты, применяющие описанную технику, обычно называют магнитно-резонансными томографами (МРТ), поскольку использующееся в ЯМР слово «ядерный» вызывает у многих страх.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) представляет собой удивительную технику, принцип действия которой объяснить довольно просто. В частности, ПЭТ применяется для получения изображения мозга жертвы инсульта или новорожденного младенца, подвергшегося при рождении кислородной недостаточности. Сначала в тело вводится глюкоза, содержащая безвредные радиоактивные изотопы углерода или азота, которые переносятся в мозг. Затем путем измерения концентрации глюкозы, источника энергии для мозга, в различных областях выделяются области высокой и низкой нервной активности.
Как работает ПЭТ-сканер. Атомы нестабильного изотопа используются, чтобы направить молекулы глюкозы в мозг. Ядра этих атомов подвергаются бета-распаду путем испускания позитрона (античастицы электрона). Этот позитрон быстро сталкивается с атомным электроном и аннигилирует, высвобождая два идущих друг за другом гамма-фотона. ПЭТ-сканер состоит из массивов фотонных детекторов, которые регистрируют гамма-лучи сцинтиллирующими кристаллами. Многие атомы в этих кристаллах возбуждаются единственным высокоэнергетическим гамма-лучом, но быстро падают на начальный уровень, высвобождая менее энергетические фотоны. Эти фотоны, в свою очередь, запускают высвобождение каскада электронов внутри трубки фотоэлектронного умножителя, в результате чего на выходе мы видим электрическую пульсацию. Эти сигналы используются, чтобы срез за срезом построить карту мозга на основании концентрации глюкозы в различных его областях. Хотя возможность заглянуть внутрь человеческого мозга при помощи радиоактивных атомов, которые выплевывают антивещество, и может показаться пугающей, на самом деле ПЭТ-сканеры причиняют меньше