го экономически оправданного выхода энергии (большего, чем затрачено на создание этих лазерных пучков) ещё очень и очень далеко.
Так или иначе, но мы видим, что задачи в сфере управляемого термоядерного синтеза, поставленные Сахаровым 60 лет назад, остаются сегодня более чем актуальными.[28]
Мюонный катализ и холодный ядерный синтез
Сам термин "мюонный катализ" введён Сахаровым в закрытом отчёте "Пассивные мезоны" 1948 г., рассекреченном в 1990 г. и впервые опубликованном в Собрании трудов (сноска 7). Дальнейшая разработка Сахаровым этой темы — в совместной с Я.Б. Зельдовичем работе "О реакциях, вызываемых мю-мезонами в атоме водорода" (ЖЭТФ 32 (4), с. 947—949, 1957 г.).
Как уже говорилось, слияние (синтез) положительно заряженных ядер лёгких элементов дейтерия и трития с выделением при этом ядерной энергии затруднено кулоновским отталкиванием электрически одноимённо заряженных ядер. В свою очередь, атомы водорода и его изотопов нейтральны и с лёгкостью сближаются до расстояний, равных размеру орбиты электрона, которая в сто тысяч раз больше размера ядра. Дальнейшее сближение ядер — внутри атома, где уже нет экранирующего поля отрицательно заряженного электрона, оказывается в обычных условиях невозможным, поэтому моря и океаны не взрываются, и Земля не становится маленьким Солнцем (необычные условия, влекущие термоядерный синтез, когда ядра сближаются благодаря их тепловой кинетической энергии, удалось искусственно создать в водородной бомбе и делаются попытки создать их в "Токамаках" — см. выше).
Мю-мезон — частица во всём аналогичная электрону, но с массой в 207 раз больше и быстро распадающаяся, её время жизни одна миллионная доля секунды. Однако за свою недолгую жизнь она может успеть соединиться с протоном или его изотопом и образовать нейтральный атом (мезоатом), подобный водороду, но размером в 207 раз меньше водорода. Соответственно во столько же раз уменьшается расстояние, на которое, не испытывая кулоновского отталкивания, может приблизиться к положительно заряженному ядру мезоатома внешнее положительно заряженное ядро. Дальнейшее слияние ядер с выделением энергии происходит благодаря эффекту квантового туннелирования через кулоновский барьер.
Таким образом можно в принципе осуществить ядерный синтез при комнатной температуре, т.е. без разогрева дейтериево-тритиевой смеси. Идея невероятно простая, её практическое выражение состоит в том, что запуская пучок мю-мезонов в смесь изотопов водорода, можно получить реакцию ядерного синтеза с выделением полезной энергии. Как пишет Сахаров в своих "Воспоминаниях", вероятно, именно по причине написания этого Отчёта 1948 года его тогда включили в группу И.Е. Тамма по разработке водородной бомбы.
Этот Отчёт специалисты справедливо называют легендарным, в нём Сахаров предвосхитил развитие целой области физики. Первое о нём упоминание — в указанной выше совместной работе Сахарова и Зельдовича 1957 года. В комментариях к этим работам Сахарова, говоря об истории вопроса и его состоянии на момент середины 1990-х годов, С.С. Герштейн и Л.И. Пономарёв отмечают:
В настоящее время проблему мю-катализа изучают в 50 различных лабораториях в 15 странах мира, предложены различные варианты гибридных мюонно-каталитических реакторов. Эти исследования составляют важную часть всех работ, проводимых на мезонных фабриках в Швейцарии, Лос-Аламосе, Ванкувере, Японии и в других центрах (ОИЯИ, ЛИЯФ, Резерфордовская лаборатория в Англии и т.д.). Систематически проводятся международные конференции по этой проблеме, издаётся специализированный международный журнал "Мюонный катализ".[29]
Суммируя: достижение реального результата, как это в жизни зачастую и бывает, оказалось не так просто, реализация термоядерного синтеза с помощью мю-катализа встретила много трудностей. Главная проблема в малом времени жизни мю-мезона и в трудности получения достаточно интенсивного пучка мю-мезонов. Самым перспективным считается направление, объединяющее инициированный мю-мезонами синтез изотопов водорода с механизмом бридинга. Сахаров пишет в "Воспоминаниях", что идею ядерного бридинга, когда нейтроны — продукты реакции деления тяжёлых элементов сами производят делящиеся изотопы урана и плутония, он изложил в секретном отчёте 1951 года.
Магнитная кумуляция и взрывомагнитные генераторы
В 1951—1952 годах Сахаров предложил использовать энергию сходящегося взрыва (имплозии, кумуляции) для получения сверхсильных магнитных полей и сверхсильных токов. Идея, опять же, очень проста и основана на быстрой деформации взрывом токонесущих контуров. Например, полая цилиндрическая обмотка (соленоид) с магнитным полем вдоль оси цилиндра обкладывается снаружи взрывчаткой, подрыв которой схлопывает цилиндр. Уменьшение поперечного сечения цилиндра влечёт по закону Гаусса сохранения магнитного потока пропорциональное увеличение магнитного поля в нём. Таким образом достигались импульсные магнитные поля в миллионы Гаусс. Были разработаны два типа взрывомагнитных генераторов МК-1 (сжатие аксиального магнитного поля) и МК-2 (вытеснение магнитного поля из соленоида и последующее его сжатие стенками коаксиала). Разрешение на публикацию работ об этих исследованиях было получено через 13 лет после их начала.[30]
Аналогичные исследования независимо велись в США: в Лос-Аламосе, в Ливерморской национальной лаборатории и в Сандии. Поскольку все эти исследования — и в СССР и в США — были связаны с разработкой ядерного оружия, то и открытые о них публикации были ограничены. Эксперименты по получению магнитных полей, превосходящих 10 миллионов Гаусс, впервые были опубликованы одним из основоположников магнитной кумуляции М. Фаулером с сотрудниками в 1960 году.
В Арзамасе-16 (ВНИИЭФ) в этом направлении работал научный коллектив под руководством А.И. Павловского, Р.З. Людаева и В.К. Чернышёва. Основная задача этих исследований первоначально была оборонная, а также попытка получения управляемого термоядерного синтеза, однако, есть множество других направлений мирного, чисто научного применения магнитной кумуляции. Вот как пишет об этом Александр Иванович Павловский в комментарии в Собрании научных трудов Сахарова:
Рождение идеи магнитной кумуляции и изобретение генераторов МК-1 и МК-2 были связаны с поисками решений проблемы импульсного управляемого термоядерного синтеза и актуальной в то время задачи — перевода малых масс (100 г.) активного вещества в надкритическое состояние (ядерный взрыв малой мощности)… А.Д. Сахаровым было показано, что концентрация магнитной энергии в малом объёме, необходимая для достижения высокой плотности активного вещества, связана с меньшими потерями энергии, чем при чисто газодинамическом способе… В дальнейшем с ним обсуждалась возможность использования такой системы для сжатия предварительно нагретой плазмы с целью достижения условий термоядерного синтеза.
Следует отметить, что А.Д. Сахаров особенно серьёзное внимание уделял возможности применения магнитной кумуляции энергии для создания мощных ускорителей элементарных частиц на высокие энергии. Он считал это одним из наиболее фундаментальных научных применений. Несмотря на то, что грандиозность проектов ускорителей возрастала в процессе их рассмотрения, до последних лет его не оставляла мысль о реализации такой возможности…
Магнитная кумуляция энергии, вне зависимости от осуществления грандиозных проектов ускорителей элементарных частиц, оказалась полезной в различных областях исследований. В настоящее время нет альтернативы взрывному способу генерации сверхсильных магнитных полей. Относительно большие объёмы, в которых они реализуются, позволяют сочетать сверхсильные магнитные поля, высокие давления и сверхнизкие температуры. В десятимегаэрстедном диапазоне магнитных полей изучаются магнитооптические эффекты, уравнения состояния изэентропически сжатых веществ при мегабарных давлениях, свойства твёрдого водорода при высокой плотности сжатия, проводятся прямые измерения критического поля высокотемпературных керамических сверхпроводников и ряд других исследований…".[31]
Это направление продолжает бурно развиваться. Начиная с 1979 года регулярно проводятся Международные конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Двенадцатая конференция — "Megagauss-XII" прошла в 2008 году в Новосибирском Академгородке.[32] Международный программный комитет принял решение провести конференцию "Megagauss-XIII" в Китае в 2010 году, а конференцию "Megagauss-XIV" в США в 2012 году.
Работы по кварковой структуре, мезонам, барионам и глюонам
В начале 1960-х Андрей Дмитриевич параллельно с оборонной тематикой вновь занялся чистой наукой. Происходило это в тесном творческом взаимодействии с Я.Б. Зельдовичем, который вновь "подключился" к науке несколькими годами раньше. Первым опытом Сахарова на этом пути стала космологическая работа 1965 года, ставшая актуальной, привлёкшая всеобщее внимание в 1990-е годы в связи с изучением флуктуаций реликтового излучения. Но об этом ниже. В 1966 году Сахаров, совместно с Зельдовичем, опубликовал работу, посвящённую кваркам,[33] гипотезу о существовании которых выдвинули в 1964 году Гелл-Манн и Цвейг. Через 9 лет он опубликовал ещё одну работу в развитие этих идей и затем ещё две работы по той же тематике в 1980 году.[34] (В январе 1980 года Сахаров был отправлен в ссылку в Горький, и появление сразу после этого двух его работ, конечно, не случайно. Во-первых, в ссылке у него действительно появилось время для занятий наукой. Кроме того, в тот момент было жизненно необходимо иметь документальные подтверждения научной работоспособности Сахарова, поскольку газеты твердили об утрате им этих способностей, а власти настаивали на отчислении его из ФИАНа).