Заложник идеи
АрхивКаждый, у кого есть собственные идеи (а у читателей "КТ" они наверняка есть), знает, как порой нелегко от них отказаться. Вроде бы уже ясно, что блестящая теория не работает, но она-то своя, родная, ее жалко.
Каждый, у кого есть собственные идеи (а у читателей "КТ" они наверняка есть), знает, как порой нелегко от них отказаться. Вроде бы уже ясно, что блестящая теория не работает, но она-то своя, родная, ее жалко. Коварный мозг услужливо подсказывает новые аргументы, иные интерпретации общеизвестных вещей, обходные пути, и требуется немало мужества, чтобы заставить себя трезво взглянуть на ситуацию.
Гораздо хуже, если дело зашло далеко. Любимая женщина поверила, друзья позавидовали, пресса написала. Впустую потрачены годы упорного труда, розданы обещания, получены деньги, набраны люди, учреждена фирма… И если все это пустить по ветру, то под угрозой окажется не только самооценка, но и куда более ощутимые вещи: репутация, достаток, положение в обществе… Перед угрозой таких потерь человек может стать, сам того не желая, заложником своей идеи. Он вынужден и дальше идти по проторенной дорожке, гоня прочь мысли, что путь этот тупиковый. И бывает очень трудно провести грань между сознательным мошенничеством, фанатизмом и психическим расстройством.
Такие чудаки, увы, встречаются и среди ученых. И коллеги, как правило, относятся к ним с сочувствием и пониманием. Научные исследования очень рискованны. Далеко не все гипотезы подтверждаются, а предположения оправдываются. Часто случается, что многолетние усилия идут насмарку. А иногда научные исследования дают положительный результат, но попытка создать на их основе коммерческий продукт терпит фиаско. Он получается чересчур дорогим или рушится под грузом инженерных проблем. Гораздо реже, после многих лет неприятия, оказывается, что ученый был прав, и его идеи торжествуют.
А теперь представьте: продрогнув в холодную погоду, вы возвращаетесь домой, набираете из-под крана немного воды, заливаете ее в небольшое устройство, и оно начинает обогревать ваше жилище. Никакого угля, солярки или газа. Никакой золы, углекислого газа и глобального потепления. И никаких нейтронов и прочих ядерных отходов, как в другой нашумевшей в свое время надежде на дешевую энергию - холодном ядерном синтезе (см. врезку). И обойдется это с учетом всех затрат примерно вчетверо дешевле, чем киловатт-час сегодня. Звучит слишком заманчиво, чтобы быть правдой? Тем не менее энергетическое изобилие и возможность купить в магазине чудо-устройство уже в ближайшие четыре года обещает доктор Миллз и его компания Black Light Power ("Энергия черного света"), которая почти пятнадцать лет пытается превратить революционную гидринную технологию в коммерческий продукт. Для этого, правда, нужен сущий пустяк. Чтобы загадочные гидрино - "сжатые" состояния атома водорода - действительно существовали. Ну и слегка подправить квантовую теорию, что совсем уже мелочи по сравнению с очевидной выгодой.
Cold Fusion (холодный синтез)
Под холодным синтезом (сегодня чаще употребляется термин LENR, Low Energy Nuclear Reactions - ядерные реакции при низких энергиях) понимают весь круг вопросов, касающихся протекания реакций синтеза легких ядер (в основном изотопов водорода дейтерия и трития) при нормальных температурах. Этим они отличаются от термоядерных реакций в плазме токамака, при разогреве мишени мощными лазерами, в водородной бомбе и т. п., в которых вещество нагревают до миллионов градусов, чтобы движущиеся с большой скоростью ядра при столкновении преодолели кулоновское отталкивание и слились друг с другом.
Всеобщее внимание к этой теме привлекли весной 1989 года электрохимики Мартин Флейшман (Martin Fleischman) и Стэнли Понс (Stanley Pons). После нескольких лет исследований, проводившихся за собственный счет, ученые заявили, что им удалось получить значительное дополнительное выделение тепла при электролизе тяжелой воды с электродами из платины и палладия. Это сулило быстрое решение энергетических проблем с помощью простых дешевых устройств. По мысли авторов, палладий насыщался дейтерием, и ядра дейтерия сливались благодаря тому, что их электрическое отталкивание компенсировалось электрическими полями вблизи сильно заряженных тяжелых ядер металла. Спустя несколько месяцев при попытках воспроизвести эксперимент выяснилось, что подсчет энергетического баланса был ошибочен.
Тем не менее за прошедшие с тех пор шестнадцать лет по этой теме было опубликовано три с лишним тысячи научных статей, регулярно проводятся научные конференции. Холодным синтезом продолжают заниматься небольшие научные группы во многих известных институтах. Более сотни групп в разное время заявляли, что им, наконец, удалось реализовать холодный синтез в тех или иных экспериментальных устройствах. Однако большинство этих результатов воспроизводится плохо и, как правило, отсутствует согласие между измеренным выделением тепла, зарегистрированным излучением и наблюдаемым количеством продуктов реакции синтеза. Такие измерения представляют собой очень непростую задачу. Дело, как правило, осложняется отсутствием хорошей теории, и нередко экспериментальный поиск ведется почти вслепую. В общем, какой-то холодный синтез, по всей видимости, возможен, но ученые пока далеки от понимания этих процессов, не говоря уже о возможности производства с их помощью дешевой энергии.
И все же в ряде экспериментов - например, при разгоне ядер дейтерия сильными электрическими полями, возникающими при сжатии пьезокристаллов (как в зажигалках), - удалось получить понятные и хорошо воспроизводимые результаты. К сожалению, во всех успешных случаях затрачивается гораздо больше энергии, чем выделяется в результате синтеза ядер. Однако эти устройства можно использовать в качестве удобных генераторов нейтронов.
Финансирование работ по холодному синтезу пока осуществляется обычным путем. Но специальная комиссия Министерства энергетики США время от времени изучает состояние дел на предмет выделения дополнительных средств для развития этого направления. Мнения эксперты высказывают разные, но пока решения комиссии отрицательны. Злые языки винят в этом мощное термоядерное лобби, привыкшее к миллиардным вливаниям.
Знакомьтесь: доктор Миллз
Рэнделл Миллз (Randell Mills) человек, несомненно, умный, широко образованный и обладающий бешеной энергией. Миллз родился в 1957 году в штате Пенсильвания и в 1982-м блестяще окончил колледж Франклина и Маршалла, получив степень бакалавра по химии. Продолжив образование, он спустя четыре года получил степень доктора медицины в Гарвардской школе медицины. Еще год Миллз проработал аспирантом в Массачусетском технологическом институте, специализируясь на электротехнике, и затем, наконец, приступил к самостоятельным исследованиям.
Кипучая деятельность Миллза воистину не знает границ. Он соучредитель и генеральный директор нескольких компаний, автор почти сотни статей в солидных рецензируемых научных журналах и десятков докладов на крупных научных конференциях. Он владеет десятком патентов. Причем предмет этих патентов простирается от способов терапии рака и химических методов доставки лекарств до получения изображений с помощью ядерного магнитного резонанса и технологий искусственного интеллекта.
Достижения доктора Миллза (те, что по химии и медицине) отмечены девятью престижными наградами научных сообществ. У Миллза есть сторонники и последователи среди инженеров и ученых, которые высоко ценят его деятельность. Однако многие физики считают идеи Миллза образчиком лженауки. И для этого есть очень веские основания. Но мы не будем здесь навешивать ярлыки, тем более что все ярлыки плохо пахнут, а попытаемся во всем разобраться.
Чем пахнет гидрино?
Главной идеей доктора Миллза, на которой он сконцентрировался в последние пятнадцать лет и которая недавно вызвала повышенный интерес, является гипотеза о существовании гидрино (так Миллз называет "сжатое" состояние атома водорода, в котором электрон находится ближе к ядру, чем в обычном атоме). Электрон в гидрино обладает меньшей энергией, чем электрон в атоме водорода, находящемся в основном устойчивом состоянии с минимальной, с точки зрения квантовой теории, энергией. И эту разницу в энергиях, по мнению Миллза, можно добыть, превращая обычный водород в гидрино с помощью специальных катализаторов. Причем от одного атома водорода в этом процессе можно получить примерно в тысячу раз больше энергии, чем при сжигании. Это меньше, чем при ядерной реакции синтеза, но все равно сулит энергетическое изобилие и массу других выгод. Что и говорить, очень заманчиво.
Гипотеза существования гидрино возникла у Миллза еще в конце восьмидесятых и потребовалась ему для объяснения необычных результатов некоторых химических экспериментов и экспериментов с низкотемпературной плазмой. Судя по публикациям, Миллз еще тогда наблюдал аномальное выделение тепла и, возможно, ультрафиолетовое свечение, признак наличия процессов с большой энергией. Их он стал объяснять превращением водорода, содержащегося в смеси, в гидрино. Эксперименты и объяснения кому-то показались убедительными, и хотя знакомые с квантовой теорией специалисты, включая нескольких нобелевских лауреатов, сочли взгляды Миллза несостоятельными, ему удалось найти инвесторов, по слухам, среди энергетических корпораций. Инвесторы выделили под эту идею несколько десятков миллионов долларов, что позволило Миллзу организовать в 1991 году компанию Black Light Power специально для исследования и коммерциализации гидринных технологий. И до настоящего времени ему удается находить деньги для продолжения этих работ.
Поначалу научные работы Миллза о гидрино и сопутствующих технологиях были скупы и касались в основном различных экспериментов. Но в 1999 году он издает книгу "Великая объединенная теория классической квантовой механики", и с тех пор, а особенно после 2002 года, поток его статей в солидных научных журналах только ширится. А поскольку подобные статьи проходят тщательный контроль рецензентов, можно считать, что проверка гипотезы Миллза вошла в нормальное научное русло. И просто отмахнуться от нее, как от очевидной глупости, уже нельзя.
Квантовая теория Миллза
Что же собой представляет классическая квантовая теория Миллза и на что она претендует? Претензий у теории много. От описания элементарных частиц до описания вселенной. Что же касается модели атома Миллза, то она является некоей смесью квантовых постулатов и классической электродинамики. Модель эта детерминированная (как классическая механика) в пику расплывчатым и малопонятным вероятностным предсказаниям обычной квантовой теории. Например, свободный электрон, согласно Миллзу, это бесконечно тонкий вращающийся диск, который в кулоновском поле атомного ядра превращается в орбисферу с радиусом, равным радиусу Бора. Есть орбисферы и с бо’льшими радиусами, которые совпадают с известными в квантовой теории возбужденными состояниями атома. Однако помимо них, утверждает Миллз, имеются орбисферы с меньшими радиусами, равными радиусу Бора, деленному на целые числа вплоть до 137. Меньше радиусов быть не может, поскольку для них скорость электрона превысит скорость света. Атомы водорода с дробными к радиусу Бора орбитами электрона и есть гидрино. Все гидринные состояния устойчивы, в отличие от обычных возбужденных состояний атома, из которых он возвращается в основное состояние - на орбиту с Боровским радиусом, излучая фотон. Поэтому гидрино трудно наблюдать. Зато на гидринную орбиту электрон может "упасть" в результате столкновения с атомом катализатора, передав ему разницу в энергиях состояний.
Почему бы и нет? Многим великим физикам, включая Эйнштейна, не нравились вероятностные предсказания квантовой теории. Многие известные ученые в прошлом веке пытались построить детерминированную теорию атома. У них не вышло. Вдруг, наконец, это вышло у Миллза? Более того, когда квантовая теория еще только становилась на ноги, классики умудрялись с помощью довольно смутных рассуждений выводить из классической электродинамики те же формулы для излучения атома, что и в квантовой теории. Их можно найти в первых классических учебниках тридцатых годов по квантовой механике.
Модель Миллза очень наглядна, а в его статьях достаточно таблиц и простых готовых формул, которые может использовать любой инженер для объяснения с помощью модели гидрино своих измерений, если они не укладываются в обычную теорию. Видимо, эти обстоятельства и способствуют появлению последователей. Ведь неудачно поставленных или ошибочных экспериментов всегда хватает.
В то же время в теоретических трудах Миллза, изобилующих длинными формулами и известными истинами, очень трудно проследить за логикой рассуждений. Много резких, совсем не очевидных переходов. Тем не менее голландский физик из Европейского космического агентства Андреас Ратке (Andreas Rathke) не поленился решить уравнения, которые пишет для своей модели Миллз. И обнаружил, что эти уравнения не только не описывают возбужденных состояний атома водорода, но и гидринных решений у них тоже нет! Теория Миллза, по мнению Ратке, ошибочна уже в своем математическом формализме, не говоря о лежащих в ее основе физических представлениях. Впрочем, Миллз недавно опубликовал свои возражения, с которыми можно ознакомиться на сайте его компании.
Эксперименты Миллза
А что же эксперимент? Ведь можно ошибаться в теории, но поставить убедительный опыт. Мы часто используем различные технологии - например, высокотемпературную сверхпроводимость, - плохо понимая, как они работают. У Миллза и тут не все гладко. Несмотря на большое количество статей в солидных журналах с описаниями разнообразных экспериментов самого Миллза и ряда его сторонников, еще никому из независимых исследователей повторить их не удалось. А часть экспериментов встретила резкую критику оппонентов. И, разумеется, ответные возражения Миллза.
В 2002 году группе из Рауэнского университета под руководством профессора Энтони Марчезе (Anthony Marchese) удалось получить грант от Института передовых концепций NASA на исследование гидринного ракетного двигателя. Этот институт, время от времени распределяющий небольшие краткосрочные гранты, был специально создан для проверки "революционных" идей. За полгода работы, отчет о которой можно найти на упомянутом сайте, добиться ожидаемых результатов не удалось, и финансирование было прекращено.
Будем надеяться, что в ближайшее время эксперименты Миллза и его сторонников будут проверены независимыми исследователями. Если результаты подтвердятся, возможно, их удастся интерпретировать с точки зрения общепринятых физических представлений. Ведь привлечение гипотезы существования гидрино нарушает один из основных научных принципов - бритву Оккама ("не плоди сущностей без надобности"). Во всяком случае, оснований для пересмотра квантовой теории, к которому призывает Миллз, пока нет.
Какие у гидрино шансы?
Что же может сказать о гидрино квантовая теория? Вопрос этот не так прост, как может показаться на первый взгляд. Разумеется, такого набора гидринных состояний, существование которых предсказывает Миллз, в квантовой теории нет. Но могут ли быть какие-то другие? В распоряжении физиков есть несколько квантовых моделей атома. Любопытно, что простейшая из них, уравнение Шредингера, формально имеет решения с энергией меньшей, чем у основного состояния атома водорода. Это обстоятельство уже не раз служило причиной "открытий" энтузиастами "сжатых атомов". Но эти решения не имеют физического смысла. Их квадрату нельзя приписать обычный смысл плотности вероятности положения электрона в атоме, поскольку интеграл от нее по пространству расходится, а должен быть равен единице.
У физики с математикой вообще отношения сложные. Часто уравнения верной теории содержат решения, которые по тем или иным причинам никуда не годятся. И наоборот, вычисления математически некорректные, от которых дыбом встают волосы, прекрасно совпадают с экспериментом. А на развитие корректного для подобных случаев математического формализма может уйти не один десяток лет. Эти трудности формального языка науки порой служат причиной ошибок и мнимых открытий.
Следующее приближение к реальности - уравнение Клейна-Гордона, учитывающее эффекты теории относительности, уже имеет одно вполне осмысленное решение с радиусом, близким к Комптоновской длине волны электрона, который примерно в 136 раз меньше радиуса Бора. Зато еще более точное приближение - уравнение Дирака, которое помимо релятивистских эффектов учитывает еще и спин электрона, вновь не имеет таких решений. Поэтому решение уравнения Клейна-Гордона с малым радиусом традиционно отбрасывают.
Но если электрон расположен так близко к ядру, то и уравнение Дирака может оказаться неадекватным, поскольку помимо электромагнитного взаимодействия надо будет учесть еще и так называемое слабое взаимодействие электрона с ядром. И кто знает, быть может, в электрослабой теории это решение вновь появится. По-видимому, этими вопросами никто не занимался, поскольку таких сжатых атомов водорода, которые больше похожи на сильно возбужденный нейтрон, никто еще не наблюдал. А их наверняка обнаружили бы в каком-нибудь из многочисленных экспериментов физики высоких энергий. Не могли они появиться и в экспериментах Миллза, так как там совершенно недостаточный уровень энергии.
Пожалуй, наиболее близка к теме гидрино сравнительно хорошо разработанная область мюонного катализа термоядерного синтеза. В мюонном атоме вокруг ядра вместо электрона "вращается" в 206 раз более тяжелый двойник электрона мюон. Орбита мюона имеет примерно в 200 раз меньший радиус. Ядра таких сдавленных атомов гораздо легче столкнуть и заставить слиться друг с другом, поскольку кулоновское отталкивание ядер, экранированное мюоном, начинает сказываться на значительно меньших расстояниях. В определенных условиях мюоны могут играть роль катализатора, облегчая слияние ядер, например, в смеси дейтерия с тритием. Связанные с мюонными атомами физические проблемы дают представление о трудностях, с которыми могут столкнуться физики при попытке создать теорию гидрино.
Короче говоря, с точки зрения релятивистской квантовой теории существование гидрино крайне маловероятно, однако полностью исключить его пока нельзя. Возможно, в условиях сильных внешних полей или в других экстремальных состояниях, или с крайне малой вероятностью и ненадолго, сжатые атомы и могут образовываться. Однако таких условий, считают специалисты, в экспериментах доктора Миллза очевидно нет.
Как бы то ни было, точки зрения Миллза и его оппонентов открыто публикуются и обсуждаются, что является признаком здорового научного процесса. Если выяснится, что Миллз сознательно фальсифицировал экспериментальные результаты и намеренно подгонял под них теорию, он будет с позором изгнан из научного сообщества. А если они подтвердятся и получат рациональное объяснение с точки зрения общепринятой квантовой теории, что ж, каждый ученый имеет право на изложение самых необычных гипотез.
