Об этом долго не писали. А точнее, не решались писать. Представьте себе ученого, который пришел в редакцию научного журнала и сказал: «Я изобрел вечный двигатель!» И не только сказал, но и показал его в действии. Абсурд, сказали бы вы, тут что-то не так, надо разобраться! Оттого и ученые временили с публикацией. Пока не нашли объяснения. А произошло вот что. Американские физики Л. Брэдли и Г. Кусва проводи ли очередную серию опытов. В камере, газ из которой откачан до давления в сотни раз меньше атмосферного, вызывали электрический разряд и наблюдали за показаниями приборов.
Такие камеры очень напоминают ламповые диоды. На электроды — анод и катод— подается напряжение от конденсаторной батареи в несколько десятков киловольт. Газ между электродами при этом «пробивается» — молекулы диссоциируются на атомы, а атомы ионизируются, распадаясь на положительно заряженные ионы и электроны. Электроны, повинуясь действию на них электрического поля, движутся к аноду, а ионы в противоположную сторону — к катоду.
Если газ достаточно разрежен и «трение» частиц друг о друга невелико, то кинетическая энергия свободно ускоряющихся в электрическом поле электронов и ионов при падений на электроды равна произведению величины их заряда (Е) назначение напряжения (U), приложенного к диоду. За единицу энергии можно взять не эрг или джоуль, а более удобную для расчетов величину — электрон-вольт. Один электрон-вольт — это энергия электрона прошедшего разность потенциалов 1 вольт. Стало быть, если электрон прошел разность потенциалов 20 киловольт, то его энергия равна 20 килоэлектрон-вольтам.
Так должно быть согласно правилам физики. Американские экспериментаторы подали на электроды напряжение 20 киловольт, и вдруг... Ионы вместо положенных им 20 достигли энергии 2 тыс. килоэлектрон-вольт! Было чему удивиться! В сто раз больше! Куда «смотрит» закон сохранения энергии? Но и это не все удивительное. Двигались ионы не к катоду, как полагалось бы, а к аноду. Как тут не вспомнить знаменитого «демона» Максвелла, придуманного английским физиком для демонстрации одного термодинамического парадокса. Уж не демон ли в самом деле спрятался где-то между анодом и катодом, останавливал тяжелые ионы на их праведном пути, устремляя в обратном направлении да еще с энергией, в десятки раз большей?
Царствование закона сохранения энергии, надо сказать, никогда не было благополучным. Ученые и самоучки, фантазеры и экспериментаторы не раз пытались лишить его значительной части владений. В их ряду и
неутомимые искатели вечного двигателя или неиссякаемых источников энергии. Но если фантазеры заворожены заманчивостью идеи, истинные ученые даже при неожиданном результате эксперимента ищут согласия с теорией. Так было и на этот раз. Теоретики С. Гари и X. Бламберг помогли разрешить загадку.
Все объяснилось. Плазма, состоящая из электронов и ионов, как и всякое вещество, подвержена колебаниям. В воздухе распространяются звуковые волны, в плазме свои — волны сгущения частиц или разрежения. Вспомните, как долго вслед за прошедшим поездом летят опавшие листья, увлекаемые воздушной волной.
Эта аналогия очень близка к описываемым процессам. Электроны в диоде раскачивают в плазме волны, которые устремляются вслед за ними. Волны захватывают тяжелые ионы и заставляют их двигаться вна правлении движения электронов, уже не к катоду, а к аноду. Скорость их оказывается несколько меньшей — в три-четыре раза — скорости электронов. Но поскольку кинетическая энергия частицы равна — mv2/2, то ион, масса которого в тысячи раз больше массы электрона, даже при такой скорости обладает кинетической энергией, в сотни раз большей.
Вот и разъяснилось, почему электроны прибывают на анод с энергией 20 килоэлектрон вольт, а ионы — 2000.
Так была отбита одна из атак на закон сохранения энергии. И чтобы представить себе, насколько беспокоен этот участок научного фронта, расскажем еще об одном эпизоде.
Опытам со взрывающимися проволочками уже много десятков лет. Суть их вот в чем. К концам тонкой металлической проволоки прикладывается напряжение в несколько десятков киловольт, вызывающее в них ток силой в тысячи ампер.
Проволока при этом нагревается до столь высокой температуры, что, расплавляясь, в некоторых местах даже испаряется. Этот разлет испаренного металла и изучался учеными. И казалось, здесь не оставалось ничего загадочного. Но когда энергетика экспериментальных установок была повышена, вдруг выяснилось, что проволочка при пропускании через нее большого тока светится. Не обычным, видимым светом, а в частотах спектра близким к рентгеновскому. Такое излучение могло возникнуть лишь в том случае, если в проволочку каким-то образом попадали электроны с огромной кинетической энергией. Но от куда они брали ее?
Слабые духом снова вспомнили демона. Сильные взялись за расчеты.
Изучая кадры скоростной фотосъемки, подметили: испаряясь, проволочка на миллионные доли секунды образует в электрической цепи небольшой разрыв. Разорвана цепь — прекратился ток. Обычная лампочка, если перерезать провод, погаснет. Но если ток в цепи очень велик? Вокруг проводника с током, заметим, образовалось магнитное поле. Оно очень велико, и очень велика энергия, запасенная вокруг проводника в виде этого магнитного поля. Проволочка разорвалась, но энергия поля и само поле не исчезли. Магнитное поле продолжает гнать электрические заряды в уцелевшей части цепи в прежнем направлении, поддерживая ток. На одной стороне разрыва скапливаются электроны, в то время как на другой они все убывают. Запасенное магнитное поле создает на границах разрыва цепи разность потенциалов, то есть напряжение, во много раз превышающее начальное напряжение системы. Подталкиваемые им электроны перелетают через разрыв, подобно набравшей скорость машине, проскакивающей разрушенный пролет моста. Попав на другую границу разрыва, электроны обладают огромной кинетической энергией. Они-то и вызывают рентгеновское излучение.
Снова демон поставлен на место. Снова незыблемым стоит один из основных законов физики.
К. ГУРЕЕВ
Продолжение
История обнаружения явления ускорения электронами положительных ионов до очень высоких энергий не в направлении отрицательного электрода, как следует из элементарных представлений о взаимодействии электрических зарядов, а в направлении положительного, проста, интересна и поучительна.
Ионы с необычно высокими энергиями эпизодически регистрировались в разрядах, различного типа, начиная примерно с 30-х годов. Из имевшихся экспериментальных данных, подчас противоречивых, практически невозможно было выявить научную истину: установить существование нового механизма ускорения. Наиболее близок к истине был Е. Р. Гаррисон, опубликовавший свои результаты в журнале «Nature» в 1959 году.
Независимо от зарубежных ученых в 1960 году А. А. Плютто при формировании внешним электрическим полем ионного пучка из плазмы искрового разряда обнаружил, что кинетическая энергия ионов в ряде случаев может превышать ту величину энергии, которую они могут при обрести во внешнем электрическом поле. Автор объяснил это явление ускорением ионов электронами при расширении плазмы в вакууме и полностью отверг возможность ускорения ионов в искровом промежутке (то есть в диоде, работавшем в качестве источника плазмы). В этом и состояла его ошибка. К мысли о том, что ускорение ионов возможно и в самом искровом разряде, привел курьезный случай. При запуске экспериментальной установки, на которой проводил опыты А. Плют то, лаборант забыл снять заземление. На экране масс-анализатора вдруг начали появляться непонятные сигналы, что говорило либо о неправильной работе анализатора, либо о наличии непонятно где и как появляющихся ионов с высокой энергией. Начались поиски. В результате предварительных экспериментов получили, что ускоренные ионы могут наблюдаться не только при формировании из плазмы ионного пучка, но и электронного. Интересный, но совершенно непонятный результат!
Но эти опыты так и не дали конечного ответа на вопрос об условиях возникновения ускоренных ионов.
В 1962 году для исследования непонятного явления была создана лаборатория под руководством А. А. Плютто. Начались систематические экспериментальные и теоретические исследования. Были выявлены основные закономерности и условия, при которых происходит захват и ускорение ионов электронами. Основные результаты многочисленных исследований впервые были опубликованы в журнале«Письма в ЖЭТФ» в 1967 году.
Сейчас эти эксперименты находятся в центре внимания крупнейших научных коллективов мира, поскольку открывают возможности нового подхода к решению ряда актуальных проблем.