Это не еда! Слойка Сахарова, блины Зельдовича и соль Иоффе

Научная метафора – один из способов ёмко, красочно и понятно описать суть сложного явления или процесса через яркий и знакомый носителям языка образ. Именно с помощью научных метафор в Информационных центрах по атомной энергии объясняют школьникам принцип работы ядерного реактора и других сложных устройств. Физики-атомщики тоже не остались в стороне. Не зря говорят, что наука без творчества не движется вперёд. Мы расскажем о «съедобных» метафорах, характеризующих как микро-, так и макрообъекты.

Самая грозная слойка
Слойкой Сахарова прозвали первую советскую водородную бомбу с зарядом РДС6С, разработанную под руководством А.Д. Сахарова и Ю.Б. Харитона. Всё дело в конструкции, которую Андрей Дмитриевич придумал ещё в 1948 году. Сахаров предложил использовать принцип имплозии в проекте слойки: сначала сходящаяся взрывная волна от обычной взрывчатки равномерно «обжимает» сборку из чередующихся слоёв лёгких и тяжёлых элементов, потом световое давление рентгеновского излучения с огромной скоростью распределяется из центра во все стороны, «раздвигая» конструкцию. За счёт этого происходит сжатие термоядерного материала и его адиабатический нагрев. В это же время ионизируется уран-238, поглощающий рентгеновское излучение, благодаря чему происходит дополнительное изотермическое сжатие лёгких элементов. Кстати, это явление назвали «сахаризацией». Сахаров отмечал, что основным источником энерговыделения в слойке будет процесс деления ядер U-238 термоядерными нейтронами. Весь процесс занимает совсем немного времени – несколько микросекунд, да и реакция затухает быстро, так как не является самоподдерживающейся, поэтому главной задачей было подобрать оптимальный размер конструкции. И у участников советского атомного проекта это получилось практически с первой попытки. Конструкция слойки оказалась тупиковой, так как не могла дать повышение мощности более одной мегатонны, но на её основе впоследствии были разработаны другие варианты. Вот такая грозная «слойка», успешно испытанная в 1953 году, была создана советскими атомщиками. Этот проект стал ещё одним шагом к ядерному паритету в мире, а у СССР начал формироваться надёжный ядерный щит, который защищает нас до сих пор.

Блины космических масштабов
Яков Борисович Зельдович известен не только как участник советского атомного проекта, но и как космолог, чьи работы цитируются до сих пор. Одна из созданных им моделей, описывающая процесс формирования Вселенной, была названа «блины Зельдовича». В 1970 году Яков Зельдович предположил, что на раннем этапе формирования Вселенной образовывались не шарообразные тела, а двумерные объекты, схожие с блинами. После Большого взрыва началось постепенное расширение остывающей плазмы, но оно происходило неравномерно. Первичный коллапс огромных газовых облаков, сравнимых с размерами скоплений галактик, в рамках этой модели приводит к формированию плоских структур, так как при образовании фигуры, отличной от сферы, из-за самогравитации быстрее сжимается её меньшая сторона, и получается «блин». Пересечение «блинов» создавало ячеистую структуру, и в местах наибольшей плотности началось образование галактик. Эту структуру впоследствии назвали «космической паутиной». В прошлом году главный научный сотрудник ИКИ РАН, профессор НИЯУ МИФИ Геннадий Бисноватый-Коган рассчитал приближённое решение для формы спектра реликтового фона после рассеяния на плазме, быстро сжимающейся в плоском слое под действием самогравитации. По его словам, взаимодействие реликтового излучения с быстро сжимающимся ионизованным веществом «блина» приводит к характерным флуктуациям, и если наблюдения подтвердят его расчёты, то можно считать теорию Якова Зельдовича верной. «Термин «теория блинов» (pancake theory), описывающий сжатие трёхмерного объекта в двумерный, стал настолько популярен, что когда 11 сентября 2001 года здания Всемирного торгового центра в НьюЙорке обрушились в результате террористических атак и последовавших за этим пожаров, некоторые комментаторы этого события тоже вспомнили про теорию блинов. Современные космологи предпочитают называть гигантские плоские сверхскопления галактик не «блинами», а «стенами» (walls). В структуре окружающей нас области Вселенной уже выделены несколько таких гигантских стен, которые есть не что иное, как «блины» Зельдовича», – рассказал Владимир Сурдин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им.П. К. Штернберга МГУ.

Загадка обычной соли
Будучи ассистентом у В.К. Рентгена, Абрам Фёдорович Иоффе занимался проблемой кристаллов. В частности, он обратил внимание на то, что на практике образцы разрушаются от гораздо меньшей нагрузки, чем полагается по теории. Неужели теория кристаллических решёток Макса Борна несостоятельна? Абрам Иоффе приходит к следующему предположению: «Разрыв никогда не происходит сразу… а начинается с маленькой трещины, которая, углубляясь, всё далее разделяет кристалл на две части… Если это объяснение правильно, то нужно было ожидать, что от свойств поверхности, от существования или лёгкого образования на ней трещин будет зависеть прочность всего кристалла». И учёный находит простой, но очень наглядный способ подтвердить гипотезу. Если кристалл соли смочить обыкновенной водой, его прочность на разрыв станет в несколько раз больше, чем у сухого кристалла. Абрам Фёдорович доказал, что разрушение кристалла никогда не происходит сразу, по всему сечению, а начинается с маленькой трещины на его поверхности, при увеличении которой и происходит разрыв. Соответственно, если трещины «залечить», то прочность кристалла увеличится многократно. Уже в XXI веке научные исследования показали, что эффект Иоффе можно наблюдать и в наноструктурных материалах: металлах и некоторых сплавах. Полировка их приповерхностного слоя придаёт материалам более высокую прочность и гибкость. К такому выводу пришли, в частности, исследователи из МАИ А.В. Беспалов, А.П. Петров и А.В. Соколов. Таким образом, эксперимент Абрама Иоффе, проведённый более 100 лет назад, стал основой для современных научных открытий. Кстати, о захватывающих перспективах, которые откроются после внедрения технологии упрочнения материалов, писали уже тогда, начиная со второго десятилетия ХХ века. «Всё, что касается кристаллов, и сейчас и будет актуально, – считает Антон Седов, научный сотрудник Института прикладной физики РАН, доцент НГТУ им. Р.Е. Алексеева, кандидат физико-математических наук. – Дело в том, что кристаллы используются в большом количестве бытовых устройств, научных и технических приложений. Например, на кристалле кремния строится вся современная электроника, включая компьютеры и мобильные телефоны». Получается, что открытия, теории и модели, сделанные атомщиками в прошлом веке, до сих пор приносят ощутимую пользу: «слойка» Сахарова стала шагом к многолетнему глобальному миру на планете, «блины» Зельдовича помогают объяснить процесс формирования объектов во Вселенной, а эффект Иоффе, открытый благодаря кристалликам обычной соли, применим и к нанотехнологиям, которых 100 лет назад ещё не существовало.