Физические константы
В сегодняшнем выпуске радиожурнала речь пойдёт о степени постоянства универсальных физических констант и об успехах в создании топливных элементов для портативных электронных устройств.
Все наши представления о Вселенной и о действующих в ней физических законах основаны на разработанной учёными так называемой стандартной модели, в которой первостепенную, ключевую роль играют универсальные константы. Общеизвестным примером такой неизменяемой, постоянной величины является скорость света в вакууме. Однако есть и другие, хоть и гораздо менее известные неспециалистам, но ничуть не менее важные. Например, константы связи – параметры, характеризующие силу взаимодействия частиц или полей. Согласно сегодняшним представлениям физиков, весь материальный мир построен из элементарных частиц и античастиц, связанных разного вида взаимодействиями. Количество обнаруженных элементарных частиц измеряется уже сотнями, и учёные открывают всё новые. Зато видов фундаментальных взаимодействий между частицами известно всего четыре: гравитация, электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. Первые два вида взаимодействия вряд ли нуждаются в пояснениях, поскольку мы постоянно сталкиваемся с гравитацией и электромагнетизмом в повседневной жизни. Что же касается двух других видов взаимодействия, то следует, видимо, напомнить: сильное взаимодействие удерживает вместе протоны и нейтроны, образующие ядра атомов; слабое взаимодействие расталкивает их. И каждый из этих видов взаимодействия характеризуется определённой константой. Так вот, шесть лет назад австралийские астрофизики провели высокоточные измерения и пришли к выводу, что константы на самом деле не являются абсолютно постоянными величинами, а всё же со временем изменяются. Правда, очень медленно и крайне незначительно, но тут ведь дело в принципе. Данные австралийских учёных вызвали сенсацию во всём мире. И хотя контрольные измерения, проведённые их американскими коллегами, дали совсем иные результаты, подтвердив постоянство констант, спор среди физиков с тех пор не затихает. Продолжился он и на прошедшей недавно в Инсбруке 20-й Международной конференции по атомной физике, квантовой оптике и спектроскопии, собравшей более 800 ведущих специалистов со всего мира, в том числе 8 нобелевских лауреатов. Там были представлены результаты последних измерений в этой области. Речь по-прежнему идёт, прежде всего, о так называемой «константе тонкой структуры» – безразмерной величине, обозначаемой буквой «α» (альфа) и образованной из трёх универсальных постоянных: «альфа» прямо пропорциональна квадрату элементарного электрического заряда и обратно пропорциональна постоянной Планка и скорости света. Эта величина, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, определяет тонкое расщепление энергетических уровней атома, а следовательно, и спектральных линий. Именно значение «альфы» измеряла 6 лет назад группа австралийских учёных во главе с Виктором Флэмбаумом (Victor Flambaum), профессором теоретической физики Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Исследователи изучали изменения, которые претерпевает свет далёких квазаров, проходя сквозь межгалактические газовые облака, и пришли к заключению, что за последние 10 миллиардов лет значение константы «альфа» увеличилось на одну стотысячную. Это не так уж и мало, если иметь в виду, что значение константы измерено до 15-го знака после запятой. Профессор Флэмбаум и сегодня уверен, что полученные им результаты приведут к революции в космологии:
Для физиков это означает, что нам нужна новая теория. Данные об изменении констант противоречат всем сегодняшним теоретическим моделям. Даже если изменения крайне малы, всё равно – без новых идей нам не обойтись. Мы сразу оказываемся в совершенно новом мире.
Даже тот факт, что в прошлом году американские исследователи провели новые измерения и пришли к выводу о постоянстве констант, не способен поколебать уверенности профессора Флэмбаума в своей правоте:
Эти две группы учёных использовали разные телескопы – один направлен в северное небо, другой – в южное. Но раз уж мы говорим о переменности констант, то они вполне могут иметь разные значения в разных участках Вселенной. По крайней мере, это не исключено.
Если константы всё же меняются во времени, это могло бы объяснить фундаментальную загадку, связанную с возникновением Вселенной: дело в том, что Вселенная в её сегодняшнем виде вообще могла возникнуть только при условии, что все универсальные константы имеют ровно те значения, что они имеют. Уже самое незначительное отклонение в величине, скажем, константы сильного взаимодействия имело бы поистине катастрофические последствия: будь она всего на одну десятитысячную больше или меньше, и образование атомов углерода, а значит, и зарождение органической жизни, стали бы невозможными. Профессор Мюнхенского университета, лауреат Нобелевской премии по физике Теодор Хенш (Theodor Hänsch) говорит об этом так:
Если константы всё же изменяются, это означает, что Господь Бог имел, так сказать, возможность немножко подрегулировать, подправить наш мир. Ему не пришлось сразу создавать законченную Вселенную с этими раз и навсегда математически вычисленными константами. Быть может, этим и объясняется то, что мы живём в мире, в котором возможна жизнь.
Противоречивые данные о постоянстве константы «альфа» были получены и в процессе анализа изотопного состава горной породы в единственном в мире природном ядерном реакторе в окрестностях селения Окло в Габоне, в Центральной Африке. Этот уникальный реактор, образовавшись около 2-х миллиардов лет назад в концентрированных урановых рудах глубоко под землёй, «проработал» не менее нескольких сотен тысяч лет. Находящиеся там сегодня продукты радиоактивного распада обладают специфическим изотопным составом, что и позволило исследователям сделать выводы о величине значения константы «альфа» в те далёкие времена, когда реактор ещё функционировал. Всё бы хорошо, да только разные группы учёных получили противоположные результаты.
Впрочем, эти исследования были выполнены несколько лет назад. А самые свежие данные представил в Инсбруке Вим Убахс (Wim Ubachs), профессор атомной, молекулярной и лазерной физики Амстердамского университета. Как и его предшественники, он тоже анализировал свет далёких квазаров, но этот свет проходил сквозь облака, состоящие из чистого газообразного водорода, а не из смеси самых различных элементов, как это имело место раньше у австралийских и американских коллег. Понятно, что молекулы, состоящие всего лишь из 2-х атомов водорода, поддаются более точному оптическому измерению, нежели любые другие газы. Данные, полученные нидерландским профессором Убахсом, вроде бы подтверждают правоту австралийского профессора Флэмбаума: получается, что константа «альфа» всё же не совсем постоянна. Однако сам Убахс с окончательными выводами не спешит:
Проблема в том, что эти холодные облака газообразного водорода наблюдались нами на одной линии с квазарами всего два раза. Но нам нужно больше данных. Пока факты говорят нам, что здесь что-то не так, что кое-какие теории, возможно, придётся пересмотреть. Но для более категорических утверждений нам не хватает информации.
Поэтому учёные планируют новые эксперименты с запуском в космос двух высокоточных атомных часов. Сверив их показания несколько лет спустя, исследователи смогут более аргументированно высказаться о постоянстве – или переменности – констант. Пока же стандартная модель – за неимением лучшей – продолжает действовать.
А теперь – другая тема. Каждый, кто решил купить себе стационарный компьютер, первым делом начинает сравнивать параметры разных моделей – тактовую частоту процессора, объём оперативной памяти, ёмкость жёсткого диска и так далее. Если же речь идёт о лэптопе или о ноутбуке, то есть о компьютерах портативных, то едва ли не на первое место выходит совсем другой параметр: да нет, даже не масса, а продолжительность работы от одной зарядки аккумулятора. Потому что какой прок от самого что ни на есть распрекрасного компьютера, если уже через два часа автономной работы он испускает дух, а электророзетки поблизости нет и не предвидится! Впрочем, даже самые лучшие на сегодняшний день аккумуляторы не способны на практике обеспечить продолжительность работы лэптопа, превышающую 5 часов. Конечно, и они продолжают совершенствоваться, да и энергопотребление самих компьютеров снижается, но всё же надежды на подлинный прорыв в этой области инженеры связывают с автономными источниками питания, основанными на совершенно иной технологии, – топливными элементами.
Топливный элемент, или, как его иногда называют, топливная ячейка, является, по сути дела, ключевым компонентом электрохимического генератора, то есть обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. Как и прочие источники тока, топливные элементы состоят из анода, катода и электролита между ними. Химическая энергия выделяется в процессе окислительно-восстановительной реакции, которая поддерживается за счёт подачи топлива и окислителя. На практике речь идёт о реакции образования воды из водорода и кислорода. Звучит просто, однако техническая реализация идеи потребовала преодоления целого ряда сложностей. Прежде всего, оказалось непрактичным и неэкономичным использование в качестве топлива непосредственно водорода, поэтому его заменили метиловым спиртом – метанолом. В результате так называемого процесса риформинга метанол при температуре в 280 градусов выделяет водород, который затем поступает на анод. Функцию электролита в такой конструкции выполняет тончайшая твёрдополимерная ионообменная мембрана с нанесённым на неё слоем платинового катализатора. Она обладает уникальным свойством: пропускает протоны, то есть ядра атомов водорода, но задерживает электроны. Атомы водорода, теряя электроны, продираются сквозь мембрану, и вступают в реакцию с кислородом воздуха на катоде, образуя воду. В обычных условиях такая реакция, как известно, носит взрывной характер, но в топливном элементе она протекает «мирно» благодаря тому, что идёт не во всём его объёме, а лишь на поверхности мембраны с катализатором. Выделяемое при этом тепло поддерживает процесс риформинга. А электроны, отобранные мембраной у атомов водорода, текут от анода к катоду по внешней цепи, образуя тот самый электрический ток, который необходим для питания портативного прибора. Такая схема стала уже почти классической, однако теперь австрийские инженеры намерены внести в неё существенные, возможно даже, решающие коррективы. Их идея позволит отказаться от непрактичного жидкого топлива, заменив его твёрдым. Карл Грубер (Karl Gruber), сотрудник научно-исследовательского института прикладной электрохимии в Вене, говорит:
Всё началось с одного неудавшегося эксперимента, который впоследствии обернулся большой удачей. Тогда я синтезировал это топливо совершенно случайно. Но потом понадобилось ещё не менее полугода, прежде чем мне пришла в голову идея использовать ту побочную реакцию, которая тогда проявилась, в качестве основной, а полученный продукт – в качестве топлива.
Собственно, изначальная цель Карла Грубера состояла в разработке нового, более дешёвого катализатора. На первом этапе риформинга метанол должен быть превращён в формальдегид, а без катализатора эта реакция не идёт.
Дальнейшие этапы – от формальдегида к муравьиной кислоте, а от муравьиной кислоты – к углекислому газу – идут довольно просто. На самом деле там, конечно, происходят весьма сложные реакции, но схематично весь процесс можно представить себе именно так.
Муравьиная кислота легко отдаёт атомы водорода, те активно реагируют с кислородом. Иными словами, главная проблема риформинга – первый этап, то есть получение формальдегида из метанола. Эта реакция идёт медленно и требует большого количества платины в качестве катализатора.
И нам просто удалось совсем обойтись без этого первого этапа за счёт предварительного окисления метанола. Тем самым мы отказались от самой медленной реакции, тормозящей весь процесс. А заодно нам, возможно, удастся сэкономить ещё и немало платины.
В результате окисления метанола образуется раствор формальдегида – формалин, широко используемый, например, в анатомической практике. Его упаривают, в результате чего молекулы формальдегида соединяются в длинные цепи, образуя полиметиленоксид, или полиформальдегид.
В обычных условиях – при нормальном давлении и комнатной температуре – этот полимеризованный формальдегид представляет собой твёрдое вещество. Его легко хранить, он прост в обращении и не выделяет вредных паров.
Такое топливо внешне напоминает сухой спирт, хорошо известный любителям походов. Помимо прочих достоинств, полиформальдегид и по энергоёмкости превосходит те вещества, которые послужили сырьём для его получения. Но перед тем, как использовать его в топливном элементе, он должен быть переведён в жидкое состояние.
Растворение осуществляется посредством растворителя, лучше всего – воды, нагретой до температуры около 80-ти градусов Цельсия. Причём в жидкое состояние переводится ровно столько твёрдого топлива, сколько требуется в данный момент. Затем оно вводится в топливный элемент, который далее функционирует точно так же, как и обычный элемент, работающий непосредственно на метаноле.
Итак, дело за малым – за практической реализацией перспективной идеи. Нет ясности, например, в вопросе о технике подачи топлива в топливный элемент.
Здесь полёт фантазии неограничен. Понятно, что топливо должно быть более или менее сыпучим – в форме порошка или гранулята. Но в принципе решение таких сугубо технологических проблем особых сложностей не составляет.