Ядро раздора

Утром человек просыпается, включает тумблер – в квартире появляется электричество, которое греет воду в чайнике, дает энергию для работы телевизора и компьютера, заставляет светиться лампочки. Человек завтракает, выходит из дома и садится в машину, которая уезжает, не оставляя после себя привычного облака выхлопных газов. Когда человек решает, что надо заправиться, он покупает баллон с газом, который не пахнет, не токсичен и очень дешев - нефтепродукты больше не используются как топливо. Топливом стала океаническая вода. Это не утопия, это обычный день в мире, где человек освоил реакцию холодного ядерного синтеза.

В четверг, 22 мая 2008 года, группа японских физиков из Университета Осаки под руководством профессора Араты провела демонстрацию реакции холодного ядерного синтеза. Некоторые из присутствовавших на демонстрации ученых назвали ее успешной, однако большинство заявило, что для подобных утверждений необходимо независимо повторить опыт в других лабораториях. О заявлении японцев написало несколько физических изданий, однако наиболее уважаемые в научном мире журналы, такие как Science и Nature, пока не опубликовали своей оценки этого события. Чем объясняется такой скепсис научного сообщества?

Все дело в том, что холодный ядерный синтез с некоторых пор пользуется у ученых дурной славой. Несколько раз заявления об успешном проведении этой реакции на поверку оказывались фальсификацией либо неверно поставленным экспериментом. Чтобы понять, в чем трудность осуществления ядерного синтеза в лабораторных условиях, необходимо коротко коснуться теоретических основ реакции.

Куры и ядерная физика

Ядерный синтез - это реакция, при которой атомные ядра легких элементов сливаются, образуя ядро более тяжелого. При реакции выделяется огромное количество энергии. Это обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения, которые удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. На маленьких расстояниях – около 10^-13 сантиметров - эти силы чрезвычайно сильны. С другой стороны, протоны в ядрах заряжены положительно, и, соответственно, стремятся оттолкнуться друг от друга. Радиус действия электростатических сил намного больше, чем у ядерных, поэтому когда ядра удалены друг от друга, первые начинают преобладать.

В обычных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы они смогли преодолеть электростатическое отталкивание и вступить в ядерную реакцию. Заставить атомы сблизиться можно, сталкивая их на большой скорости или используя сверхвысокие давления и температуры. Однако теоретически существует и альтернативный способ, позволяющий проводить желанную реакцию практически "на столе". Одним из первых идею осуществления ядерного синтеза при комнатной температуре высказал в 60-е годы прошлого века французский физик, лауреат Нобелевской премии Луис Кервран (Louis Kervran).

Ученый обратил внимание на тот факт, что куры, не получающие кальция с пищей, тем не менее несут нормальные яйца, покрытые скорлупой. В скорлупе, как известно, содержится очень много кальция. Кервран заключил, что куры синтезируют его у себя в организме из более легкого элемента – калия. В качестве места протекания реакций ядерного синтеза физик определил митохондрии – внутриклеточные энергетические станции. Несмотря на то что многие считают эту публикацию Керврана первоапрельской шуткой, некоторые ученые всерьез заинтересовались проблемой холодного ядерного синтеза.

Две почти детективные истории

В 1989 году Мартин Флейшман и Стэнли Понс объявили о том, что им удалось покорить природу и заставить дейтерий превратиться в гелий при комнатной температуре в приборе для электролиза воды. Схема эксперимента была следующей: в подкисленную воду опускали электроды и пропускали ток – обычный опыт по электролизу воды. Однако ученые использовали необычную воду и необычные электроды.

Вода была "тяжелой". То есть, легкие ("обычные") изотопы водорода в ней были заменены на более тяжелые, содержащие помимо протона еще и один нейтрон. Такой изотоп называется дейтерием. Кроме того, Флейшман и Понс использовали электроды, сделанные из палладия. Палладий отличает удивительная способность "впитывать" в себя большое количество водорода и дейтерия. Число атомов дейтерия в палладиевой пластине может сравниться с числом атомов самого палладия. В своем эксперименте физики использовали электроды, предварительно "насыщенные" дейтерием.

При прохождении электрического тока через "тяжелую" воду образовывались положительно заряженные ионы дейтерия, которые под действием сил электростатического притяжения устремлялись к отрицательно заряженному электроду и "врезались" в него. При этом, как были уверены экспериментаторы, они сближались с уже находящимися в электродах атомами дейтерия на расстояние, достаточное для протекания реакции ядерного синтеза.

Доказательством протекания реакции стало бы выделение энергии – в данном случае это выразилось бы в увеличении температуры воды - и регистрация потока нейтронов. Флейшман и Понс заявили, что в их установке наблюдалось и то и другое. Сообщение физиков вызвало чрезвычайно бурную реакцию научного сообщества и прессы. СМИ расписывали прелести жизни после повсеместного внедрения холодного ядерного синтеза, а физики и химики по всему миру принялись перепроверять их результаты.

Поначалу в нескольких лабораториях вроде бы смогли повторить эксперимент Флейшмана и Понса, о чем радостно сообщали газеты, однако постепенно стало выясняться, что при одних и тех же начальных условиях разные ученые получают совершенно несхожие результаты. После перепроверки расчетов выяснилось, что если бы реакция синтеза гелия из дейтерия шла бы так, как описали физики, то выделившийся поток нейтронов должен был бы немедленно убить их. Прорыв Флейшмана и Понса оказался просто неграмотно поставленным экспериментом. И заодно научил исследователей доверять только результатам, сначала опубликованным в рецензируемых научных журналах, и только потом в газетах.

После этой истории большинство серьезных исследователей прекратили работы по поиску путей осуществления холодного ядерного синтеза. Однако в 2002 году эта тема снова всплыла в научных дискуссиях и прессе. На сей раз с претензией на покорение природы выступили физики из США Рузи Талейархан (Rusi Taleyarkhan) и Ричард Лейхи (Richard T. Lahey, Jr.). Они заявили, что смогли добиться необходимого для реакции сближения ядер, используя не палладий, а эффект кавитации.

Кавитацией называют образование в жидкости полостей, или пузырьков, заполненных газом. Образование пузырьков может быть, в частности, спровоцировано прохождением через жидкость звуковых волн. При определенных условиях пузырьки лопаются, выделяя большое количество энергии. Как пузырьки могут помочь в ядерном синтезе? Очень просто: в момент "взрыва" температура внутри пузырька достигает десяти миллионов градусов по Цельсию – что сравнимо с температурой на Солнце, где свободно происходит ядерный синтез.

Талейархан и Лейхи пропускали звуковые волны через ацетон, в котором легкий изотоп водорода (протий) был заменен на дейтерий. Им удалось зарегистрировать поток нейтронов высокой энергии, а также образование гелия и трития – еще одного продукта ядерного синтеза.

Несмотря на красоту и логичность экспериментальной схемы, научная общественность восприняла заявления физиков более чем прохладно. На ученых обрушилось огромное количество критики, касающейся постановки эксперимента и регистрации потока нейтронов. Талейархан и Лейхи переставили опыт с учетом полученных замечаний – и снова получили тот же результат. Тем не менее, авторитетный научный журнал Nature в 2006 году опубликовал статью, в которой высказывались сомнения в достоверности результатов. Фактически, ученых обвинили в фальсификации.

В Университете Пердью, куда перешли работать Талейархан и Лейхи, было проведено независимое расследование. По его итогам был вынесен вердикт: эксперимент поставлен верно, ошибки или фальсификации не обнаружено. Несмотря на это, пока в Nature не появилось опровержения статьи, а вопрос о признании кавитационного ядерного синтеза научным фактом повис в воздухе.

Новая надежда

Но вернемся к японским физикам. В своей работе они использовали уже знакомый палладий. Точнее, смесь палладия с оксидом циркония. "Дейтериевая емкость" этой смеси, по утверждениям японцев, еще выше, чем у палладия. Ученые пропускали дейтерий через ячейку, содержащую эту смесь. После добавления дейтерия температура внутри ячейки поднялась до 70 градусов по Цельсию. По словам исследователей, в этот момент в ячейке происходили ядерные и химические реакции. После того как поступление дейтерия в ячейку прекратилось, температура внутри нее оставалась повышенной еще в течение 50 часов. Физики утверждают, что это свидетельствует о протекании внутри ячейки реакций ядерного синтеза - из атомов дейтерия, сблизившихся на достаточное расстояние, образовывались ядра гелия.

Пока рано говорить, правы японцы или нет. Эксперимент должен быть неоднократно повторен, а результаты проверены. Скорее всего, несмотря на скепсис, многие лаборатории займутся этим. Тем более что руководитель исследования – профессор Йошиаки Арата (Yoshiaki Arata) – очень уважаемый физик. О признании заслуг Араты свидетельствует тот факт, что демонстрация работы прибора проходила в аудитории, носящей его имя. Но, как известно, ошибаться могут все, особенно тогда, когда очень хотят получить вполне определенный результат.