Гипотеза, оказавшаяся теорией

Работы И. С. Филимоненко, о которых велась речь в разделе 10.2, хоть и были надолго приостановлены в конце 60-х, но продолжали оставаться строго засекреченными даже после того, как за рубежом были опубликованы аналогичные, но более слабые работы [164-165] в этом направлении. Поэтому работавший в те же годы в том же Подмосковье Б. В. Дерягин, по-видимому, ничего о них не слышал, хоть и был тогда уже членом-корреспондентом АН СССР. В 50-е годы он с группой сотрудников открыл "свойство свежеобразованных поверхностей твердых тел испускать в вакууме электроны высоких энергий, обусловленное разделением разноименных зарядов при образовании ювенильных поверхностей, приводящих к возникновению сильных электрических полей напряженностью до 107(10 в 7 степени) В/см". (Открытие СССР № 290, зарегистрированное 07.06.84 с приоритетом от 03.12.52).
Продолжая эти исследования, сотрудники академика Дерягина Ю. П. Топоров, В. А. Клюев и А. Г. Липсон в 1985 г. обнаружили, что при механическом разрушении некоторых материалов, содержащих дейтерий, например LiD или тяжелый лед D20, возникают вспышки нейтронного излучения, свидетельствующие о реакции слияния ядер дейтерия. Как потом рассказывали соавторы этого открытия в [172], их первая публикация [173] об этом тогда осталась незамеченной. Лишь после сенсационных сообщений М. Флейшманна и С. Понса, а также С. Джонса об открытии "холодного термояда" эту работу вспомнили и стали активно цитировать.
А сами сотрудники Дерягина после знакомства с сообщениями американцев интенсифицировали свои исследования по холодному ядерному синтезу. Одно из направлений их работ касалось сегнетоэлектриков - веществ, поляризующихся при охлаждении ниже точки Кюри без наложения внешнего электрического поля. Это явление теоретики (Л. Д. Ландау, В. Л. Гинсбург и др.) объяснили тем, что в кристаллах сегнетоэлектрика имеются два устойчивых положения для ионов. Выше точки Кюри оба положения заселены равновероятно, а после перехода через точку Кюри при охлаждении большая часть ионов скачком переселяется в одну сторону, что и вызывает поляризацию кристалла.
Авторы работы [172] указывают, что в большинстве сегнетоэлектриков такими ионами, перескакивающими из одного положения в другое, являются ионы водорода - протоны. Например, в известном сегнетоэлектрике - дигидрофосфате калия КН2РО4 - тетраэдры РО4 соединены между собой водородными связями. А в водородных связах, как было показано для льда еще в 30-е годы англичанами Дж. Берна-лом и Р. Фаулером, а затем уточнено лауреатом двух Нобелевских премий американским физхимиком Л. Полингом, протон расположен на прямой линии, соединяющей атомы кислорода соседних молекул. При этом протон находится не посредине этой линии, а смещен к одному из атомов кислорода примерно на треть длины этой линии (см. рис. 10.2.)

Рис. 10.2. Положение протонов в кристалле льда согласно данным по дифракции нейтронов.
Рисунок Питерсона и Леви (1957 г.) с внесенными в него частичными изменениями.
Измерения проводились при температуре -50°С на образце льда из тяжелой D2О[ 140].

Л. Полинг показал, что протон на водородной связи может с одинаковой вероятностью находиться либо возле одного, либо возле другого атома кислорода и непрерывно перескакивает на ней из одного положения в другое с частотой скачков ~104(10 в 4 мтепени) сек-1(сек в минус 1 степени). Это на рис. 10.2. отражено тем, что оба положения протона отмечены полусферами. ("Полупротонная" статистическая модель Полинга). Точно так же ведут себя дейтроны в водородных связях тяжелого льда. В обычных условиях каждому протону (или дейтрону) на водородной связи нет дела до его соседей, и он скачет "вдоль веревочки" сам по себе, что обеспечивает отсутствие поляризации кристаллов льда в обычных условиях.
Точно так же устроены водородные связи и в сегнетоэлектриках. Но при переходе через точку Кюри большинство протонов водородных связей во всем объеме кристалла скачком перемещается в одну и туже сгоронувдоль водородных связей. Равновероятность расположения протонов нарушается, и кристалл оказывается поляризованным родной связи в сегнетоэлектрике КН2РО4 отстоят друг от друга на расстоянии всего 0,45 А. Это меньше радиуса атома водорода. А далее им оставалось только предположить, что в силу тех или иных причин (например, влияния механических напряжений в кристалле при его раскалывании) в некоторых водородных связях в момент перехода через точку Кюри на какую-то миллиардную долю секунды оказываются заселенными протонами сразу обе возможные позиции. Вообще говоря, квантовая механика запрещает, чтобы в одном состоянии в одной и той же квантовой ячейке находились одновременно два фермиона. Поэтому авторы работы [172] считают такое предположение гипотетическим, но надеются, а вдруг...
Надеются, потому что когда вместо обычного водорода в состав сегнетоэлектрика входит дейтерий D2, то эти позиции на водородных связях заселены дейтронами. Для сближения дейтронов друг с другом на столь близкие расстояния в обычных условиях плазмы требуются температуры в миллионы градусов. А тут они окажутся сближенными без всякого разогрева. (Точка Кюри для KD2P04 составляет минус 52°С.) Ядрам дейтерия тут уже ничего не стоит слиться, протуннелировав сквозь уже частично смятый столь близким сближением кулоновский барьер, который в обычных условиях плазмы препятствует заряженным частицам сблизиться друг с другом на столь малые расстояния.
Собственно говоря, те самые квантовые скачки протона с одной позиции на другую в водородной связи, не требующие энергии активации, про которые говорил Полинг, тоже обусловлены туннелированием протона. Так что ему не привыкать туннелировать здесь.
В экспериментах группы Дерягина с дейтерированными сегнетоэлектриками наблюдались вспышки нейтронов до ста частиц за вспышку, а кроме того -образование трития в количествах до 108 (10 в 8 степени) атомов на грамм вещества за один переход через точку Кюри [174]. Это говорит о том, что идут ядерные реакции (10.3) и (10.4). Идут со стопроцентной воспроизводимостью опытов.
В замороженной тяжелой воде, где расстояние между двумя равновероятными позициями дейтронов в водородных связях почти вдвое больше, чем в сегнетоэлектрике, и составляет 0,73 А, при некоторых экстремальных условиях всё же может происходить то же самое. Это и наблюдалось в опытах сотрудников Дерягина с раскалыванием дейтерированного льда в 1985 г. Только вероятность и интенсивность нейтронных вспышек при раскалывании этого льда была много ниже, чем в сегнетоэлектриках.
Авторы статьи [172] называли вышеизложенное гипотезой и высказывали надежду, что в будущем другие исследователи найдут подтверждения ей. Самым сомнительным в своей гипотезе они считали возможность появления сразу двух протонов (дейтронов) в одной водородной связи.
П. Дебай еще в 1929 г. рассчитал, что для объяснения наблюдаемой диэлектрической проницаемости льда необходимо допустить, что при изменении направления внешнего электрического поля в одном кубическом сантиметре льда происходит поворот ~1015(10 в 15 степени) полярных молекул воды. Но правила Бернала-Фаулера запрещали поворот в кристалле одной молекулы без поворота остальных, которых в льде содержится 3,1 o 1022 (10 в 22 степени)см-3(см в минус 3 степени). Лишь в 1951 г. датчанин Н. Бьюррум предложил

Рис. 10.3. Образование ориентационных дефектов.
Перескок протона на соседнюю водородную связь приводит
к возникновению пары ориентационных дефектов:
D и L Такой перескок протона можно рассматривать
как поворот молекулы воды на 120° [ 140].

механизм, позволяющий молекулам воды все же изменять направление поляризации во льде [175]. Он предположил, что в кристаллах льда могут появляться ориентационные дефекты, возникающие при квантовых перескоках протона с одной водородной связи на соседнюю (см. рис. 10.3)о. Перескок протона в данном случае эквивалентен повороту молекулы воды на 120°. Молекула оказывается повернутой без поворота!
И вскоре группа Г. Гранихера [176] экспериментально подтвердила наличие во льдах таких ориентационных дефектов, концентрация которых при -10°С составляет . Именно ту величину, на которую указывал Дебай.
Так что ученики академика Дерягина, можно сказать, ломились в открытую дверь, называя свою теорию гипотезой.
Ведь каждый ориентационный дефект подразумевает наличие двух протонов на одной водородной связи!

10.5.0 роли спина при ядерных взаимодействиях

И всё же, чтобы стать теорией, гипотеза учеников академика Дерягина, изложенная в предыдущем разделе, требует существенной доработки, в частности учета спинов взаимодействующих частиц. Дело в том, что принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам одновременно находиться в одной квантовой ячейке в одинаковых состояниях. Поэтому, например, когда на одной орбитали в атоме находятся два электрона, то они отличаются друг от друга противоположным направлением их спинов. Так и два протона на одной водородной связи могут ужиться лишь в случае, когда их спины антипараллельны.
Но, с другой стороны, давно известно, что ядерное взаимодействие между сблизившимися до расстояния действия ядерных сил нуклонами осуществляется интенсивнее, когда их спины ориентированы в одну сторону, то есть параллельны. По этой причине спины протона и нейтрона в ядре атома дейтерия - дейтроне - параллельны, и суммарный спин дейтрона равен единице [177].
Еще в 40-е годы, как рассказывает автор учебника [178], в экспериментах Оксли в Рочестерском университете США было обнаружено, что рассеяние нейтронов на молекулах параводорода (спины ядер атомов которых параллельны) в 30 раз сильнее, чем на молекулах ортоводорода (спины ядер атомов которых антипараллельны). Позже, в 60-е годы, в работе [179] было установлено, что при прохождении пучка нейтронов через спиново-поляризованную мишень возникает такая прецессия нейтронов, обладающих, как известно, магнитным моментом, как если бы поле, вызывающее прецессию, было на несколько порядков величины больше магнитного поля, создаваемого ядрами атомов мишени.
А в 1953 г. тот же С. Л. Оксли с сотрудниками открыли, что при рассеянии на водородной мишени пучок протонов от синхротрона с энергией до 240 МеВ сильно поляризуется. Спины протонов, рассеянных мишенью вправо, были направлены преимущественно в одну сторону (вверх или вниз относительно плоскости, проходящей через падающий и рассеянный пучки), а спины протонов, отклоненных мишенью влево, -- в противоположную [180]. Если после этого направляли один из этих поляризованных пучков (например, правый) на следующую такую же мишень, то на ней он рассеивался уже преимущественно в одном направлении (вправо). Это открытие дало в руки физиков мощное орудие исследований, помогающее разобраться в тонкостях ядерных взаимодействий. В частности, осуществленные вскоре эксперименты впервые определенно доказали, что протон-протонное взаимодействие имеет нецентральные (тензорные и спин-орбитальные) компоненты, некоторые представления о которых дает рис. 10.4, позаимствованный из [180].
При возрастании массы-энергии релятивистской частицы с увеличением ее скорости величина спина частицы остается неизменной. А поскольку многие грубо отождествляли спин с механическим моментом количества движения, то теоретики долго полагали, что с ростом энергии сталкивающихся релятивистских частиц доля вращательной энергии в частице, обусловленная спином, должна уменьшаться. Из этого они делали вывод, что влияние взаимной ориентации спинов частиц на их рассеяние при столкновениях должно уменьшаться с ростом энергии столкновений [181].
Но эксперименты, проводившиеся в 70-е и 80-е годы как в США, так и в СССР на сверхмощных ускорителях, преподнесли сюрприз: при энергии более 8 ГэВ разница сечений рассеяния протонов с параллельными и антипараллельными спинами начала существенно возрастать с ростом энергии протонов [180]. При энергии 13 ГэВ сечение упругого рассеяния протонов с параллельными спинами оказалось в 4 раза больше, чем с антипараллельными. А эксперименты с неполяризованным пучком протонов, ускоренных до 20 ГэВ, показали, что 2/3 протонов пучка рассеивается на поляризованной мишени вправо и 1/3 - влево.
Как отмечал автор работы [180], это говорит о непонимании современной физикой того, что такое спин. Возможно, что к пониманию физики придут в будущем, и мы надеемся, что изложенная в первых главах теория движения, показывающая неразрывную связь вращательного движения с поступательным, поможет в этом.
Все вышеизложенное указывает на то, что для успешного осуществления реакций ядерного синтеза недостаточно лишь сближения двух ядер на малое расстояние, важную роль должна играть еще и правильная взаимная ориентация спинов этих ядер. И необходима именно параллельная ориентация спинов нуклонов, а не антипараллельная. Более того, в [182] делается вывод, что для успешного протекания ядерных реакций правильная взаимная ориентация спинов ядер важнее, чем

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Рис. 10.4. Нецентральные силы, действующие между двумя нуклонами, зависят
от относительной ориентации этих частиц. Тензорные силы иллюстрируются левым
столбцом, спин-орбитальные - правым. Толщина горизонтальных стрелок в каждом
случае пропорциональна величине силы. Маленькие прямые стрелки, проходящие
через каждую частицу, - это векторы спина. Большие вертикальные стрелки -векторы орбитального
момента [180].

разогрев вещества до очень высоких температур, и использование принудительной ориентации спинов взаимодействующих частиц должно существенно сказаться на выходе реакций ядерного синтеза.
Удивительно, что разработчики установок высокотемпературного термоядерного синтеза вплоть до конца XX века этот момент полностью игнорировали, руководствуясь лишь представлениями о ядерных взаимодействиях, существовавшими в конце 40-х годов, когда были осуществлены первые расчеты термоядерных реакций [183].
Если для ядерных взаимодействий всё вышеперечисленное, касающееся спина, стало известно лишь во второй половине XX века, то для межатомных взаимодействий роль спина ядер атомов учитывали еще в 30-е годы. В [184] рассказывается, что молекула ортоводорода может находиться в трех квантовых состояниях, а параводорода - только в одном. При высоких температурах (практически уже при комнатной) количества молекул орто- и параводорода в смеси пропорциональны их статистическому весу, то есть числу этих состояний. Поэтому ортоводорода при высоких температурах в 3 раза больше, чем параводорода. Потому-то в обычной жидкой воде молекул с антипараллельным направлением спинов ядер атомов водорода (молекул орто-воды) содержится в 3 раза больше, чем молекул параводы с параллельным направлением спинов ядер атомов водорода.
До 70-х годов существовало твердое убеждение, что количественное соотношение между пара- и ортомолекулами в природных водах сохраняется неизменным при любых условиях как в жидком и парообразном, так и в твердом состоянии воды. Но вот исследования свежеполученной талой воды привели сотрудников лаборатории бионики Казанского университета У. Ахмерова и А. Бильдюкевича к предположению о том, что в момент фазового перехода при таянии льда происходит изменение направления спина одного из водородных протонов молекулы ортоводы и превращение ее на некоторое время (порядка суток) в параводу. В [145] рассказывается, что расчеты блестяще подтвердили эту догадку, и экспериментально измеренная теплота испарения 1 кг талой воды оказалась на 8,38 кДж больше, чем обыкновенной. Предполагают, что талая вода потому биологически более активна и полезна для живых организмов, чем обычная, что в ней больше параводы.
Из всего этого мы хотим заострить внимание лишь на одном моменте - на том, что Б момент фазового перехода при таянии льда происходит скачкообразное изменение направления спина одного из водородных протонов в молекулах воды на противоположное. Не означает ли это, что и один из двух протонов на ориентационно-дефект-ной водородной связи в воде в этот момент тоже переворачивается, и спины обоих протонов в ней на какое-то время оказываются параллельными? Да, такое состояние запрещено квантовой механикой, потому оно не может продолжаться долго. Но факт остается фактом: молекулы ортоводы при таянии льда превращаются в параводу, а ведь протоны в межмолекулярных связях воды одновременно являются протонами молекул воды!
Следовательно, реакции ядерного синтеза между дейтронами в водородных связях могут случаться не только в момент перехода через точку Кюри в сегнетоэлектриках, но и в момент фазового перехода при таянии льда и некоторое время после этого в воде, содержащей примеси тяжелой воды. А последние всегда имеются в природных водах.
Более того, те же У. Ахмеров и А. Бильдюкевич вместе с Н. Непримеровым, как рассказывается в [185], далее предположили, что и при магнитной обработке воды изменяется ориентация ядерных спинов водорода в молекулах воды. А магнитную обработку можно осуществлять не только при температуре таяния льда, но и при повышении температуры вплоть до температуры кипения воды. Казалось бы незначительная деталь, но именно она позволяет надеяться на промышленное использование тепла, рождаемого при реакциях холодного ядерного синтеза. Ведь если бы эти реакции шли только при переходах через точку Кюри или при раскалывании льда, то грош цена была бы выделяющемуся при этом теплу: оно уходило бы на расплавление льда и для полезного использования его уже не оставалось
бы.
И действительно, осуществленные авторами работы [182] эксперименты показали,
что наложение даже слабого постоянного магнитного поля на электролитическую ячейку существенно повышает выход нейтронов в аналогичных опытах, описанных флейшманном и Понсом.
Но наложение внешнего магнитного поля - не единственный и далеко не лучший способ ориентации спинов ядер атомов в заданном направлении. Разработчики техники торсионных полей А. Е. Акимов и Г. И. Шипов утверждают, что торсионные поля более эффективно и с меньшими затратами энергии поворачивают и ориентируют спины элементарных частиц, притом на любых расстояниях от источника торсионного поля, если эти частицы расположены по его оси [55]. Их утверждения далеко не голословны. Разработанные ими и испытанные в действии передатчики и приемники торсионных сигналов работают именно на принципе поворота торсионным полем спина атомов детектора торсионного излучения [70].
В связи с этим представляется, что осуществление реакций ядерного синтеза в вихревом потоке воды, создающем осевое торсионное поле, является не худшим техническим решением, чем размещение реактора в соленоиде, создающем магнитное поле. Кроме того, как мы уже знаем из раздела 9.2, в воде даже при высоких температурах содержится какое-то количество льдоподобных ассоциатов, в которых, по-видимому, и при высоких температурах могут под воздействием торсионных полей совершаться фазовые переходы лед-вода, сопровождающиеся поворотом спина одного из протонов в молекулах воды.