В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Однако в процессе синтеза мы можем скопировать выработку энергии звездой, как происходит и в случае с Солнцем. Пока мы смогли воссоздать только первую ступень на лестнице синтеза, переход от водорода к гелию, и не смогли контролировать реакцию, позволив ей идти своим чередом только в водородной, или термоядерной, бомбе. Суть синтеза противоположна сути деления. Вместо того чтобы склонять к распаду большие ядра, необходимо подтолкнуть к слиянию маленькие ядра, преодолевая при этом естественное электростатическое отторжение их положительных зарядов, пока они не окажутся так близко друг к другу, что сильное ядерное взаимодействие, действующее только на крайне малых расстояниях, не сможет превзойти электрическую силу и притянуть их друг к другу. Как только появляются несколько ядер, которые можно синтезировать таким образом, получаемое в процессе тепло запускает направленный наружу поток энергии, стремящийся разделить все остальные ядра в момент синтеза и полностью останавливающий весь процесс[39]

. Надежда на получение в будущем бесконечного количества энергии из ядерного синтеза покоится на необходимости найти способ в течение достаточного времени удержать вместе достаточное количество ядер, чтобы они испустили приемлемое количество энергии. Также важно обнаружить такой процесс, в ходе которого высвобождается больше энергии, чем использовалось для столкновения ядер. Это довольно просто сделать внутри бомбы: по сути, нужно просто окружить ядра, которые необходимо подвергнуть синтезу, ураном, а затем запустить ядерный взрыв. Обращенное внутрь давление от взрыва столкнет друг с другом достаточное количество ядер водорода, чтобы запустить второй, более масштабный термоядерный взрыв. Но для гражданских электростанций нужно что-то более тонкое, и сейчас изучаются методы, которые включают в себя использование сильных магнитных полей, сформированных таким образом, чтобы они действовали подобно бутылке, удерживающей внутри заряженные ядра, и световых импульсов лазерных пучков, которые физически сталкивают ядра. Лазеры, конечно, производятся в соответствии с очередным рецептом из квантовой кулинарной книги.

Лазеры и мазеры

Хотя для разработки рецептов создания новых частиц в квантовой кулинарии требовался искусный шеф-повар вроде Дирака, понимание ядерных процессов менее полно, чем модель атома Бора. Поэтому, возможно, не стоит удивляться, узнав, что и самой модели Бора до сих пор находится некоторое применение. Одну из самых экзотических и восхитительных разработок современной науки – лазеры – поймет любой компетентный квантовый повар, умеющий готовить на скорую руку и слышавший о модели Бора: для объяснения лазеров не нужен великий гений. (В этом случае гений нужен для разработки технологии их конструирования, но это другая история.) Поэтому, извинившись перед Гейзенбергом, Борном, Йорданом, Дираком и Шрёдингером, давайте на некоторое время забудем о квантовых тонкостях и вернемся к аккуратной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра. Как мы помним, в этой модели, когда атом получает квант энергии, электрон перескакивает на другую орбиту, а когда такой возбужденный атом оставляется в покое, рано или поздно электрон падает обратно на основной уровень, испуская ровно тот же квант излучения с определенной длиной волны. Этот процесс называется спонтанным излучением и является противоположным поглощению.

Когда Эйнштейн в 1916 году исследовал такие процессы и выводил статистическое обоснование квантовой теории, которую он впоследствии счел столь неприятной, он понял, что есть и другая возможность. Возбужденный атом можно заставить испустить лишнюю энергию и вернуться на основной уровень, если его подтолкнуть, так сказать, пролетающим мимо фотоном. Этот процесс называется вынужденным излучением и совершается только в том случае, если пролетающий фотон обладает ровно той же длиной волны, что и тот, который готов испустить атом. Подобно каскаду нейтронов, которые задействованы в цепной реакции ядерного деления, мы можем представить массив возбужденных атомов и всего один фотон с правильной длиной волны, который стимулирует один атом к излучению, после чего оригинальный фотон вместе с новым стимулируют к излучению еще два атома, четыре фотона стимулируют еще четыре атома и так далее. В результате получается каскад излучения, частота которого в точности совпадает. Более того, учитывая способ, которым запускается излучение, все волны точно синхронны друг другу: они вместе поднимаются «вверх», на гребень волны, и опускаются «вниз», в провал волны, создавая очень чистый пучок когерентного излучения. Так как ни один из гребней и провалов такого излучения не уничтожает другой, вся энергия, выпущенная атомами, остается в пучке и может передаваться на маленькую область вещества, куда направлен этот пучок.