О чем рассказывает свет

Однако, к счастью, в природе создаются и условия, при которых идет и обратный процесс. Он связан с растительным царством. Растения вырабатывают хлорофилл, в зернах которого под воздействием солнечного света происходит расщепление углекислоты CO₂. В результате этого процесса вновь образуются свободные углерод и кислород (потому-то в лесах «легко дышится»).

Таким образом, получается вечный круговорот: углерод и кислород то соединяются, давая энергию животным и человеку, но переходя при этом в инертное состояние, то вновь расщепляются и становятся свободными, создавая возможность растительным и животным организмам строить свои клетки и при новом окислении углерода получать все новые количества энергии.

Этот круговорот непрерывно повторяется, непрерывно создается энергия и потенциальная возможность жизни. Но это — не «вечный двигатель»; этот круговорот — результат работы солнечного света, проявление его энергии, преобразуемой в определенных условиях (хлорофилл) в потенциальную энергию углерода и кислорода, которые, соединяясь, приводят к дальнейшему преобразованию энергии в теплоту.

Энергию, выделяемую при сжигании углерода, равно как и энергию падающей воды, можно рассматривать как преобразованные формы солнечной энергии. Эти формы энергии под действием солнечного света непрерывно в природе возобновляются. В недрах Земли в течение миллионов лет накоплены огромные запасы преобразованной солнечной энергии. Но, как уже было сказано, потребности в энергии в наше время весьма велики, и они быстро растут. Ни энергия накопленных в Земле угля и нефти, ни гидроэнергия в перспективе не такой уж далекой не смогут эти потребности удовлетворить. Где же искать новые, более перспективные источники?

Солнечные батареи

Обращает на себя внимание весьма малый коэффициент использования солнечной энергии при сжигании топлива. Очень уж многозвенен этот процесс: солнечная энергия — химический процесс расщепления углекислоты и получение потенциальной химической энергии кислорода и углерода — последующее окисление углерода и образование тепловой энергии — преобразование полученной теплоты в двигателе внутреннего сгорания в механическую энергию движения ротора — преобразование механической энергии ротора в динамомашине в электрическую энергию, — наконец, передача электроэнергии на производство и новое ее преобразование в соответствии с потребностью.

Во всем этом цикле превращений участвует только крайне малая часть солнечной энергии, дошедшей до Земли. Но, кроме того, в каждом звене этой цепи превращений теряется много энергии на побочные процессы. В каждом звене коэффициент полезного действия представляет собой малую дробь, а общий коэффициент полезного действия солнечной энергии тем более мал, ибо он представляет собой произведение нескольких малых дробей.

Естественно, что научно-техническая мысль работает над сокращением длинной цепи превращений по крайней мере до одного — двух звеньев. Потери солнечной энергии резко сократились бы, если бы она была непосредственно превращена в электрическую энергию. Да и долю используемой на это солнечной энергии можно было бы резко увеличить.

Но в принципе такая проблема уже решена в фотоэлементах (см. опыт Столетова). В них как раз и происходит непосредственное превращение световой энергии в энергию потока электронов, т. е. в электрический ток. Надо только изготовить достаточное количество надежно и экономично работающих фотоэлементов и покрыть ими крыши домов и все свободные площади. Но это «только» — легко сказать. На деле задача эта не проста. Для ее выполнения потребовалось бы большое количество редких химических материалов. Их надо подвергнуть весьма тщательной химической очистке и добиться почти абсолютной однородности. Изготовление фотоэлементов в больших масштабах технически сложно и пока дорого. Пока они изготовляются лишь в количествах, необходимых для приборостроения и автоматики. Конечно, когда маленький фотоэлемент полностью заменяет человека, как это имеет место, например, в автоматических контролерах, стоящих при входе в московское метро, это выгодно. Еще более выгодно применять системы фотоэлементов на космических кораблях. Там они используются для ориентации корабля (по Солнцу или по Луне), а также для получения электротока от солнечных лучей (солнечные батареи). На космических кораблях фотоэлементы имеют особое преимущество, поскольку они обеспечивают длительное действие приборов и не утяжеляют корабль. Однако пока они дают немного энергии и применяются на космических кораблях лишь как дополнение к обычным химическим батареям.

В этом методе непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую есть еще много технических и экономических трудностей. Но в принципе здесь все уже ясно. Поэтому многие ученые видят в нем главный и перспективный источник получения энергии для нужд человека. Эти идеи особенно активно развивал выдающийся русский физик академик А. Ф. Иоффе (1880—1960).

Превращение вещества в свет как источник энергии

Рождаясь в недрах вещества, свет раскрыл перед мыслящим человеком огромные кладовые энергии, связанной в атомах. Без изучения языка света, несущего информацию о сложной структуре атома, нельзя было ни осознать этот факт, ни поставить и решить проблему высвобождения атомной энергии. Частично эта задача уже решена. Мы уже построили и строим атомные электростанции, атомные ледоколы и подводные лодки.

Но познание атомов как источников энергии находится еще в самом раннем периоде своей истории. Мы пока еще используем энергию синтеза или же распада атомов, притом только определенных атомов.

Еще не раскрыта сложная структура ядра и элементарных частиц. Быть может, наибольшую энергию можно будет получать не при переходе атома с одного энергетического уровня на другой и даже не в процессе распада или синтеза атомов, а в процессах совершенно иного рода. Выше уже говорилось о том, что физики установили факт превращения частиц вещества — электрона и позитрона, находящихся в сильном поле ядра, в гамма-кванты, т. е. в свет. Этот процесс связан с максимальным образованием энергии.

Позитрон является такой же частицей вещества, как и электрон, но только заряд его не отрицателен, а положителен; он является как бы отображением электрона, или, как говорят физики, его античастицей. В наше время известно свыше тридцати различных элементарных частиц; для некоторых из них уже открыты их античастицы. Например, установлено наличие не только элементарной частицы — протона, но и антипротона, не только нейтрона, но и антинейтрона. По-видимому, каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Соединение частицы и античастицы в особых условиях (сильные ядерные поля) приводит к превращению их в соответствующие кванты излучений. Можно предполагать, что любая пара элементарных частиц — частица и ее античастица, — взаимодействуя друг с другом в сильных полях, претерпит превращение в кванты света. Эти превращения будут сопровождаться огромными энергиями, гораздо большими, чем те, которые связывают и отдают такие возбужденные физические системы, как молекулы, а темы и ядра.

В поисках условий, при которых протекают подобные процессы, физики создают мощные ускорители, в которых в огромном пустом внутри кольце периодически меняющиеся поля разгоняют элементарные частицы до очень больших скоростей. Эти частицы достигают на выходе огромных энергий, порядка миллиардов электрон-вольт. Так, в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований уже несколько лет работает ускоритель, в котором получаются частицы с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт. В Швейцарии вступил в строй ускоритель объединенных западных держав; элементарные частицы разгоняются в нем до 25 миллиардов электрон-вольт. В Советском Союзе проектируется еще более мощный ускоритель.

Для чего физики упорно стремятся получить частицы все более высоких энергий? Для того, чтобы с их помощью прощупать структуру ядер, элементарных частиц, взаимодействие их между собой, открыть новые возможные частицы, закономерности их взаимопревращений, их превращения га кванты света. Эти исследования должны раскрыть, какие превращения протекают в глубинах атома, выяснить, при каких условиях и какую энергию могут освободить в этих превращениях ядра или элементарные частицы.