Когда Эрнест Стернгласс поднялся по ступенькам дома 112 по Мерсер-стрит в апреле 1947 года, он знал, что это будет ненормальный день. Подобно церковному дьякону, вызванному на встречу с Папой Римским, Стернгласс—23-летний исследователь Лаборатории военно-морских боеприпасов в Вашингтоне, округ Колумбия, прибыл в Принстон, штат Нью—Джерси, по приглашению его самого известного жителя Альберта Эйнштейна. Получив только степень бакалавра в области электротехники, он написал Эйнштейну в начале этого месяца о работе, которую он выполнял в своей лаборатории. К его великому удивлению, Эйнштейн не только быстро ответил, но и попросил Стернгласса посетить Принстон, чтобы лично обсудить работу.
Чего Стернгласс не знал, так это того, что его визит к Эйнштейну положил бы начало цепочке переписки, включающей как неопубликованный эксперимент (его), так и неопубликованную гипотезу (Эйнштейна), которые вместе могут составить один из самых важных игнорируемых научных разделов века. Причина, по которой наука была проигнорирована, достаточно проста: она, по крайней мере, на поколение опередила свое время. Сейчас, более полувека спустя, эта работа пересматривается, что может иметь серьезные последствия для устойчивого производства энергии.
Однако в тот весенний день 1947 года Стернгласс был скромным посетителем физического собора Святого Петра. Прибыв в Принстон, он постучал в дверь обшитого досками дома, был впущен секретаршей в фойе и вскоре столкнулся со ставшим знаменитым силуэтом: пожилой мужчина с ореолом вьющихся волос, одетый в старый спортивный костюм и домашние тапочки.
Стернгласс связался с Эйнштейном, потому что его лаборатория в Вашингтоне исследовала, как электроны выбрасываются из металла, когда на него падает пучок электронов. Военно-морской флот хотел лучше понять этот процесс, чтобы разработать камеры ночного видения, фотографии и видео, которые были бы чувствительны к инфракрасному излучению, излучаемому теплом тела.
Ибо Стернглассу предстояло открыть, как создавать свободные нейтроны с постоянно повышающимися уровнями в бытовых розетках,—и Эйнштейн должен был объяснить, почему.
На первый взгляд находки Стернгласса могут показаться просто военным курьезом, едва ли достойным того, чтобы обратиться к самому архитектору пространства-времени. Но Эйнштейн получил Нобелевскую премию за теорию, объясняющую явление, связанное с исследованиями Военно-морского флота: выброс электронов из металла, освещенного лучом ультрафиолетового света, процесс, называемый фотоэффектом. Стернгласс начал подозревать, что теория, объясняющая его процесс, называемый вторичной электронной эмиссией, была просто неправильной. “Здесь я был, когда мне было около 20 лет”, - пишет Стернгласс в своих мемуарах 1997 года Перед Большим взрывом, “без какого-либо продвинутого образования в области физики, собираюсь спросить самого известного ученого в мире со времен Ньютона, что он думает о моих идеях”.
Эти двое по приглашению Эйнштейна вышли на задний двор по адресу Мерсер-стрит, 112. Эйнштейн очень дорожил возможностью прогуляться с гостями по своим скромным, но любимым садам. Стернгласс нашел точку соприкосновения со своим хозяином. “У нас был небольшой сад в пригороде Берлина, где мой отец построил летний дом", - вспоминает Стернгласс. Оба мужчины также были коренными еврейскими немцами, бежавшими из нацистской Германии в 1930-х годах, когда еще был шанс спастись бегством. Эйнштейн отменил свои встречи до конца дня.
Стернгласс объяснил Эйнштейну, что последняя теория вторичной электронной эмиссии, по иронии судьбы, слишком похожа на собственную модель фотоэффекта Эйнштейна. Фотоэлектрическая теория Эйнштейна рассматривала только самые внешние электроны в атоме, наиболее удаленные от ядра. Это было безопасное предположение, и оно подтвердилось современной наукой. Но электрон и фотон-это разные вещи. Электроны могут нанести больший удар, чем ультрафиолетовый свет, и, следовательно, могут проникнуть глубже в атом. Таким образом, каждый электрон, вращающийся вокруг атома, должен учитываться в реалистичной теории вторичной электронной эмиссии, сказал Стернгласс. “Мне это кажется разумным”, - был ответ Эйнштейна.
Разговор перешел на что-то близкое сердцу Стернгласса: ядерные частицы и, в частности, нейтрон. Нейтроны являются агентами трансмутации: они могут превращать один элемент периодической таблицы в другой. В то время было известно, что протон и нейтрон, которые плотно прилегают друг к другу в ядре атома, могут превращаться друг в друга, если их соединить с электроном. Таким образом, можно было бы добавить нейтрон к стабильному изотопу углерода (скажем, с шестью протонами и семью нейтронами в ядре), чтобы создать нестабильный изотоп углерода-14, который имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Через некоторое время (в среднем 5730 лет) углерод-14 выплевывает электрон, образуя стабильный изотоп азота с семью протонами и семью нейтронами. Таким образом, здесь была еще одна связь с Эйнштейном: Исаак Ньютон, чьи законы физики, как показал Эйнштейн, были неполными, был одержим трансмутацией элементов (частью древней традиции алхимии) и хранил одну из крупнейших алхимических библиотек своего времени.
Стернгласс работал с теорией относительности Эйнштейна и пришел к решениям ее уравнений, которые изображали стабильные орбитальные конфигурации электрона и его аналога из антивещества, позитрона. Он интерпретировал эти орбитальные пары как эквивалентные протонам и нейтронам. Сегодня мы понимаем, что эти модели являются творчески увлекательными, но в то же время неверными (кварки составляют протоны и нейтроны).
Тем не менее, это привело Стернгласа к важной гипотезе. Если нейтроны и протоны действительно являются ядерными родственниками, отличающимися по составу всего на один электрон, как предполагала модель Стернгласа, то может существовать закулисный способ создания нейтронов из протонов и электронов. Эйнштейн тоже боролся с природой электрона, который оставляет после себя всего два фотона после столкновения со своим двойником из антивещества, а не с бестиарием частиц, подобных той, которая возникает в результате столкновения протона и нейтрона. Был ли электрон отдельной породой?
В течение нескольких лет Стернгласс столкнется с электронами с протонами при энергиях, слишком низких, чтобы их можно было считать интересными, и сообщит о некоторых удивительных результатах своему наставнику в Принстоне. Эйнштейн, со своей стороны, видел в молодом инженере многообещающий потенциал. Его прощальный совет был удивительным: “Не делай того, что сделал я”, - сказал Эйнштейн Стернглассу. “Всегда оставайтесь на работе сапожника, где вы можете встать утром и посмотреть себе в лицо, что делаете что-то полезное. Никто не может быть гением и каждый день решать проблемы Вселенной”.
Стернгласс прислушался к совету. Вместо того, чтобы поступить в аспирантуру по чистой физике, он поступил в аспирантуру на новый факультет инженерной физики в своей студенческой альма-матер в Корнельском университете. Его научным руководителем был ветеран Манхэттенского проекта Филипп Моррисон, который делил кабинет с другим ветераном-взрывником Ричардом Фейнманом. Моррисон сказал Стернглассу, что он может проводить свои нейтронные эксперименты, если Стернгласс также будет работать над более традиционной темой вторичной электронной эмиссии. Стернгласс согласился.
19 ноября 1950 года Стернгласс написал письмо Эйнштейну, в котором рассказал ему о своей последней работе. В письме, которое сегодня находится в Архиве Эйнштейна в Иерусалиме, рассказывается о нетерпеливом молодом физике, который явно ждал подходящего момента, чтобы воссоединиться со специальным корреспондентом. “Мне повезло, что я смог решить проблему вторичных выбросов”, - написал Стернгласс. “Поскольку вы были одним из первых, кто поддержал меня в моем подходе, я почувствовал, что хочу очень кратко рассказать вам о том, что я обнаружил”. Таким образом возобновилась переписка между магистром и студентом.
Как только Стернгласс твердо занялся проблемой вторичной электронной эмиссии, он обратил свое внимание на идеи о нейтронах и электронах, которые обсуждал с Эйнштейном. И он написал своему наставнику, как только получил результаты экспериментов, в которых почувствовал уверенность.
В письме Эйнштейну от 26 августа 1951 года Стернгласс писал: “Возможно, вам будет интересно узнать, что в течение последних двух месяцев мне удалось получить экспериментальные доказательства образования нейтронов из протонов и электронов в высоковольтном водородном разряде”.
Трансмутация нейтронов в принципе могла бы производить драгоценные металлы—дикая мечта средневековых алхимиков.
Нейтронный эксперимент Стернгласса состоял из вакуумированной стеклянной трубки длиной менее фута, заполненной газообразным водородом. Он выстрелил из электронной пушки, похожей на ту, что можно найти в старых ламповых телевизорах, через газ и по тонкой фольге из серебра и индия на конце трубки. Не было известно, каким образом электронный луч с энергией, которую он изучал (около 35 000 электрон-вольт), мог вызвать какую-либо радиоактивность в фольгах. Тем не менее, снова и снова, это то, что он наблюдал. Когда он провел контрольный эксперимент с лучом, проходящим через обычный воздух, фольга не стала радиоактивной.
Радиоактивная сигнатура предполагала, что два стабильных изотопа, составляющих серебро (серебро-107 с 60 нейтронами и серебро-109 с 62 нейтронами), подвергались трансмутации. Добавление нейтрона к каждому из них привело бы к образованию изотопов серебра-108 и серебра-110, которые нестабильны. Когда серебро-108 распадается, оно выделяет электрон (или бета-частицу) в среднем за 2,3 минуты. Оставшийся атом становится стабильным изотопом кадмия-108. Серебро-110 более недолговечно, бета-распадается на кадмий-110 всего за 24 секунды. “Я должен ожидать, что буду наблюдать распад продолжительностью порядка 3-4 минут", - написал Стернгласс в своем лабораторном блокноте. Он видел именно это. Его серебряная фольга действовала точно так, как если бы ее бомбардировали нейтронами низкой энергии.
Но это противоречило общепринятым моделям физики элементарных частиц и ядерной физики. Электронные лучи могут отражаться от атомов серебра в металлической фольге. Они могут, как изучал сам Стернгласс, выбивать другие электроны из атома серебра. Однако электроны в трубке Стернгласса, приводимые в движение всего 35 000 Вольт, двигались слишком медленно, чтобы вызвать какие-либо ядерные реакции. Эйнштейн указал Стернглассу в письме, датированном всего четырьмя днями позже: “Для образования нейтрона необходим электрон, прошедший через 780 000 Вольт”.
Стернгласс знал, что низкоэнергетический источник нейтронов может иметь драматические последствия. В 1951 году крупнейшим в мире заводом по производству нейтронов стоимостью в миллиард долларов был завод Комиссии по атомной энергии в Хэнфорде, штат Вашингтон. Но Стернгласс, похоже, производил нейтроны с помощью экспериментальной установки стоимостью всего в тысячи долларов. После получения эти свободные нейтроны могли бы послужить своего рода “философским камнем”. Они могли бы, например, создать атомы плутония из урана. На самом деле теоретически они могли бы преобразовать любой элемент во Вселенной.
Трансмутация нейтронов в принципе могла бы производить драгоценные металлы—дикая мечта средневековых алхимиков. Но затраты на это были бы непомерно высокими. Однако сегодня нас манит другая и более заманчивая цель: чистая энергия. Результатом трансмутации часто был бы нестабильный атом, обреченный на распад. При этом он испускал бы энергичный электрон или фотон. Если бы эту энергетическую частицу можно было захватить, она могла бы быть преобразована в тепло и полезную энергию.
В 1951 году Стернгласс записал только предварительные соображения о применении своего очевидного открытия. “То, что я нашел, [может] представлять большой интерес”, - написал Стернгласс в своем неопубликованном лабораторном блокноте. ”Можно было бы получить смехотворно простой процесс образования нейтронов, который можно было бы даже использовать в атомной энергетике".
Что бы ни ждало его в будущем, Стернгласс был в восторге. В середине сбора данных в первую ночь он позвонил своей жене и профессору физики из Корнелла, который построил рентгеновскую трубку для своего эксперимента, Лайману Парратту. Вернувшись домой, он также позвонил Моррисону, который сказал, что сомневается в том, что в этом могли быть замешаны нейтроны низкой энергии. Поэтому в течение всего оставшегося июля Стернгласс совершенствовал свой эксперимент и продолжал собирать данные. Он обновил систему газового насоса в своей трубке, повторил часть своего эксперимента на дне соляной шахты, чтобы исключить космические лучи, и изучил альтернативные теории. Все указывало на нейтроны. Научная литература тоже, казалось, поддерживала его. Дж.Дж. Томсон—лауреат Нобелевской премии, открывший электрон-сообщил о подобном открытии в 1914 году. “Он наблюдал излучение, испускаемое платиной, - записал Стернгласс в своем блокноте, - ... которое, как я теперь полагаю, является бета-излучением под воздействием нейтронной бомбардировки!”
Радиоактивный распад может быть превращен в ванну безобидного тепла. И, конечно, тепловую энергию можно легко преобразовать в электричество.
Интерес к результатам Стернгласа на физическом факультете Корнелла был смешан со скандалом. Один из преподавателей сказал ему, что до него дошли слухи, что Стернгласс подделывал свои данные. Позже осенью Стернгласс записал еще один грубый обмен репликами. “Разговариваю с проф. ––– вчера я почувствовал себя довольно расстроенным”, - написал Стернгласс. “Он сказал, что "даже если предположить, что в моих данных может быть какой-то заметный эффект, его это не заинтересует"... И что в истории физики было много "странных экспериментов", которые никто не мог объяснить ... Мне показалось, что это, безусловно, странная научная позиция", - продолжил Стернгласс.
Эйнштейн, однако, был более вдумчивым. Всего в одном коротком абзаце в письме от 30 августа 1951 года Эйнштейн написал два предложения, которые были столь же проницательны, как и любая идея, сформулированная им в послевоенные годы в Принстоне. “Возможно, происходят реакции, в которых несколько электронов одновременно передают энергию одному протон", - написал Эйнштейн (курсив его). “Согласно квантовой теории, это в некоторой степени возможно, хотя и маловероятно”. То, что Эйнштейн предложил Стернглассу, включало ансамбли электронов, ведущих себя коллективно как единое целое с общими атрибутами. Думайте об этом как о группе детей, которые складывают мелочь на карманные расходы, чтобы купить один шоколадный батончик. Сегодня все, от сверхпроводников до лазеров, зависит от коллективного поведения электронов, но в 1950-х годах это было в значительной степени отдаленной и теоретической перспективой.
Эйнштейн совершил характерный блестящий скачок. Но ни у него, ни у Стернгласса, ни у кого-либо из его современников не было ни технологий, ни теоретических основ, чтобы разобраться в данных Стернгласса. Ни его данные, ни предположение Эйнштейна не были опубликованы. У Стернгласса уже была тема диссертации: вторичная электронная эмиссия, тема, которая никого не волновала. Как описывает это Стернгласс в книге " До большого взрыва, он повторил свой эксперимент по созданию нейтронов девять лет спустя, когда работал в исследовательских лабораториях Вестингауза. Однако к тому времени Эйнштейн уже умер. И, используя лабораторное оборудование Вестингауза, Стернгласс не смог воспроизвести свои данные по Корнеллу (хотя стоит отметить, что его коллега из Лаборатории боеприпасов ВМС смог воспроизвести его данные в 1953 году). “По сей день остается загадкой, как именно нейтроны могут образовываться при гораздо более низких энергиях, чем ожидалось, в сложной среде газоразрядной трубки”,-заключает Стернгласс в своей книге 1997 года.
Это могло бы стать концом истории. Но, в результате неожиданного сближения, совершенно независимое направление исследований, начатое 25 лет назад, возродило интерес к нейтронам Стернгласа с низкой энергией. В 1989 году два химика из Университета штата Юта вызвали бурю во всем мире, когда на пресс-конференции объявили, что они изобрели метод искрообразования ядерного синтеза в простом настольном аппарате. Стэнли Понс и Мартин Флейшман обнаружили, что пропускание электрического тока через специально подготовленный палладиевый электрод, погруженный в тяжелую воду, производит большое количество тепла, больше, чем можно было бы ожидать от химической реакции. “Холодный синтез",” кричали заголовки.
Но физики тогда отреагировали так же, как и сегодня: холодный синтез-это просто не начало. Не было никакой радиоактивности, гамма-лучей или нейтронов высокой энергии, которые, как ожидается, будут сопровождать реакцию синтеза. Чем же тогда можно объяснить эти данные? Поскольку холодный термоядерный синтез стал изгоем, некоторые из них подключились к низкоэнергетическим нейтронам. В мае 1989 года, всего через месяц после того, как Понс и Флейшман опубликовали свои данные, некто по имени Ларри А. Халл написал письмо редактору Chemical & Engineering News предположив, что они, возможно, наблюдали не слияние, а трансмутацию, вызванную теми же низкоэнергетическими нейтронами, которые, как утверждал Стернгласс, наблюдал.
Эта интерпретация лежала на периферии сообщества исследователей холодного синтеза (которое само находилось на периферии более широкого научного сообщества) более десяти лет. Это было только в 2006 году, когда была опубликована эпохальная статья в Европейском журнале физики C, что нейтронно-индуцированные трансмутации, как нечто отличное от холодного синтеза, начали появляться в качестве жизнеспособной теории. В статье предсказывается, что электроны на металлической поверхности, покрытой атомами водорода, дейтерия или трития, могут вести себя коллективно (как предсказывал Эйнштейн) под действием колеблющегося электромагнитного поля определенной частоты. Такое коллективное поведение может дать им достаточно энергии, чтобы объединиться с водородом, дейтерием или тритием для образования нейтронов.
Далее в статье говорится, что образующиеся в результате нейтроны движутся очень медленно—на самом деле достаточно медленно, чтобы быть поглощенными ближайшим атомом еще до того, как они смогут покинуть микроскопическую близость места своего рождения. Затем атом становится нестабильным и может испускать побочные продукты радиоактивного распада, такие как гамма-луч или энергичный электрон. В отдельной статье тех же авторов подсчитано, что микроскопические поверхности электродов, подобные тем, которые, как правило, производят низкоэнергетические нейтроны, являются эффективными поглотителями радиоактивных гамма-лучей. Таким образом, радиоактивный распад может быть преобразован в ванну безобидного тепла. И, конечно, тепловую энергию можно легко преобразовать в электричество.
Приведенная выше картина не связана с термоядерным синтезом, который потребовал бы огромных энергий в масштабе так называемой “сильной силы”, которая удерживает вместе нейтроны и протоны. Вместо этого для этого требуются более низкие энергии по шкале ядерного слабого взаимодействия, которое опосредует захват электрона протоном.
Авторы статей—профессор физики Северо-Восточного университета Аллан Уайдом и консультант энергетической отрасли из Чикаго Льюис Ларсен—развили свои идеи независимо от неопубликованной работы Стерна - Гласса-Эйнштейна. Хотя и Уидом, и Ларсен отклонили запросы на интервью для этой истории, оба отдельно отметили, что только после публикации их статьи они столкнулись с работой Стернгласса и интерпретацией Эйнштейна. “Что действительно уму непостижимо в этом, так это то, что Эйнштейн просто посмотрел по данным Стернгласса, а затем сразу понял, что наблюдаемое производство нейтронов должно включать в себя какие-то коллективные эффекты многих тел с электронами”, - пишет Ларсен.
В статьях Видома-Ларсена было отмечено то, что можно охарактеризовать только как незначительный ренессанс в исследованиях ядерных реакций с низкой энергией (термин “холодный синтез” был исключен). В марте 2012 года Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН), которая управляет самым мощным в мире коллайдером частиц, провела свой первый коллоквиум, связанный с данными Понса - Флейшмана с 1989 года. В ноябре 2012 года Американское ядерное общество провело секционную сессию о низкоэнергетических ядерных реакциях на своей зимней встрече в Сан-Диего. А Исследовательский центр НАСА в Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния, разработал серию экспериментов для проверки теории Видома-Ларсена.
Исследователи ясно дают понять, что существует растущий объем экспериментальных данных, которые согласуются с теорией. Франческо Челани, исследователь Итальянского института ядерной физики, описал своей аудитории в ЦЕРНЕ 20 экспериментов после Понса и Флейшмана, которые также дали необъяснимое количество тепла, хотя они повторялись лишь эпизодически. Йогендра Шривастава, профессор физики Университета Перуджи в Италии, объяснил на том же коллоквиуме, что были опубликованы сотни работ о тонких проводах, которые при перегрузке электрическим током взрываются—и, согласно некоторым экспериментам, производят нейтроны. Он описал, как любая потенциальная технология, основанная на производстве нейтронов с низкой энергией, станет первым использованием человечеством слабого взаимодействия, одной из четырех фундаментальных сил природы. Как выразился Джозеф Заводный, старший научный сотрудник НАСА в Лэнгли, “Я не могу представить, что существует целая сила природы, одна из немногих, которая скучна, неинтересна и бесполезна”.
На той же ноябрьской встрече Американского ядерного общества Тадахико Ивамура из Mitsubishi Heavy Industries в Японии рассказал об экспериментах Mitsubishi по нейтронно-индуцированной трансмутации. Ивамура сказал, что его лаборатория наблюдала, как радиоактивный элемент цезий превращался в менее опасный более тяжелый элемент, празеодим, когда дейтерий был вынужден проходить мимо него. Цезий обычно содержится в ядерных отходах. Во время периода вопросов и ответов Ивамура удивил аудиторию признанием того, что другие ученые из Toyota независимо подтвердили данные трансмутации Mitsubishi.
Но исследование сталкивается с сильным встречным ветром общественного и научного скептицизма. Отчасти это связано с продолжающейся деятельностью гораздо большей группы современных специалистов по холодному плавлению, которые не смогли выдвинуть какую - либо приемлемую теорию для настольного ядерного синтеза. “Различие между настоящей наукой и лженаукой еще широко не известно”, - говорит Стивен Кривит, редактор New Energy Times, информационный бюллетень, посвященный подпольному научному движению, основанному экспериментами Понса-Флейшмана. Даже НАСА приняло на себя свою долю зенитных ракет. В 2011 году сторожевой веб—сайт NASA Watch опубликовал статью под заголовком “Почему НАСА Лэнгли тратит время на исследования холодного синтеза?” - название, в котором игнорируется различие между термоядерным синтезом (сильной силы) и ядерными реакциями низкой энергии (слабой силы).
Эта область также страдает от изменчивости экспериментальных данных, говорит главный научный сотрудник НАСА в Лэнгли Деннис Бушнелл. Неспособность Стернгласса воспроизвести свои данные из Корнелла в Вестингаузе была первым проблеском этого. Бушнелл указывает, что, согласно теории Видома-Ларсена, для того, чтобы протон захватил электрон, требуются чрезвычайно сильные локальные электрические поля, до 100 миллиардов вольт на метр. “И есть несколько способов добиться этого”, - говорит Бушнелл. “Один из способов-повысить напряжение. Другой способ-уменьшить счетчики". Если трансмутация действительно зависит от наномасштабных особенностей, таких как частицы пыли, трещины или примеси—особенности с “уменьшенными метрами”,—тогда экспериментаторы должны решить сложную экспериментальную задачу контроля своих материалов в этих масштабах.
Заводный, давая понять, что трансмутация имеет лишь временное обещание, говорит, что приложения к производству энергии нельзя игнорировать. “Ядерные реакции с низкой энергией все еще не могут вскипятить чашку чая”,-говорит он. “Но если это сработало наиболее оптимальным образом и заменило все формы производства энергии, вы говорите о рынке в размере 6 триллионов долларов или более в год”, - говорит он. “Если это реально, то влияние настолько велико, а приложения к нашим текущим проблемам и способность быстро их решать настолько очевидны, что мы не можем этого не сделать”.
Исследователь, который согласен с Заводным и намерен продолжить это противоречивое, но потенциально важное направление исследований, оценит прощальный совет Эйнштейна Стернглассу. В марте 1954 года, за тринадцать месяцев до смерти Эйнштейна, Стернгласс отправил своему наставнику копию своей последней публикации о вторичной электронной эмиссии, а также открытку на 75-й день рождения. В том, что должно было стать его последним письмом Стернглассу, Эйнштейн отправил печатную записку с благодарностью. На обороте карточки был написанный от руки ответ, состоящий всего из двух слов.
“Будьте упрямы", - сказал Эйнштейн.
#наука и образование #физика #энштейн #открытия ученых #технологии будущего
Источник: nautil.us
