История технических инноваций

Гонка вооружений - это политическое противостояние держав (военных блоков) за превосходство в области вооруженных сил. В ходе такого противостояния каждая из сторон производит огромные запасы оружия, пытаясь установить паритет с противником или обогнать его.

Гонка вооружений часто употребляется вместе с термином «холодная война», введенным в обращение Черчиллем в ходе его выступления в Фултоне (США) 5 марта 1946 года. В своей речи он констатировал, что Европа оказалась разделенной «железным занавесом» и призвал западную цивилизацию объявить войну «коммунизму». Эта дата и стала «официальной» точкой отсчёта в холодной войне, хотя, конечно, Черчилль лишь озвучил те противоречия, которые накапливались между Советским Союзом и остальным капиталистическим сообществом задолго до окончания Второй мировой войны. В этой гонке весь мир разделился на два основных лагеря: капиталистический, возглавляемый Соединенными Штатами Америки, и социалистический, лидером которого являлся Советский Союз. Понятно, что основная тяжесть этой гонки и ответственность за нее легла на этих сверхдержавах.

Все достижения техники последних десятилетий ХХ века, так или иначе, связаны с гонкой вооружений: постройка подводных лодок, способных годами не всплывать на поверхность, огромных самолетов, облетающих без посадки всю Землю, наконец, освоение Космоса, появление космических спутников и станций. Сейчас же речь пойдет о ядерном оружии, которое стало одной из основных составляющих в глобальном противостоянии сверхдержав.

Историю создания атомной бомбы мы начнем с 1 марта 1896 года, когда французский ученый Антуан Анти Беккерель открыл неизвестный ранее тип излучения. В результате случайности он обнаружил, что соли урана самым загадочным образом засвечивают лежащую рядом фотопластинку, несмотря на то, что она завернута в совершенно непрозрачную бумагу. После четырех лет изучения этого явления Беккерель выяснил, что это не может быть никаким известным на тот момент излучением.

«Эстафету» подхватили другие ученые, особенно успешными оказались Пьер и Мария Кюри. Именно они предложили назвать это явление радиоактивностью.

В 1903 году Беккерель и супруги Кюри получают за исследования радиоактивности Нобелевскую премию. Символично, что новое явление сразу показало свой «крутой» нрав. Первооткрыватель и стал его первой жертвой - урановый образец, который он носил в кармане, оставил на его теле незаживающие язвы.

В 1898 году этой проблематикой начинает заниматься молодой ученый - Эрнст Резерфорд. Вклад его оказался неоценим: он исследует загадочное излучение и устанавливает, что оно неоднородно, затем он совместно с Фредериком Содди разрабатывает теорию радиоактивного распада. Далее Резерфорд ставит известные опыты по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге и выдвигает смелую теорию о существовании в атоме ядра, в котором сосредоточена вся его масса.

Естественно, что практически сразу же после открытия явления радиоактивности стало понятно, что человек столкнулся с мощным источником энергии. Представить, насколько он мощный, ни у кого не хватило фантазии, в том числе, и у Альберта Эйнштейна, в 1905 году сформулировавшего принцип эквивалентности массы и энергии. Именно связанную с этим принципом формулу и любят показывать сегодня в рекламах.

Вопрос о возможности использования этой энергии если и поднимался, то только в очень далекой перспективе. А исследования тем временем продолжались. В 1913 году Нильс Бор разработал теорию строения атома, неутомимый Резерфорд в 1919 году наблюдает искусственное превращение ядер.

Россия тоже не осталась в стороне: этой проблемой занимался известнейший русский химик Менделеев, а 21 января 1920 года в Петрограде состоялось первое заседание Атомной комиссии. 1 декабря 1921 года В.Г. Хлопин и М.А. Пасвик получили первый препарат радия из руд тюя-муюнских месторождений, а к началу 1922 года И.Я. Башилов разработал и внедрил в заводском масштабе технологию переработки тюя-муюнской руды от ископаемого сырья до получения препаратов радия, урана и ванадия. Им была спроектирована и пущена на Бондюжском пробном радиевом заводе установка, рассчитанная на производство 2 г радия-элемента в год. 11 апреля 1922 года предложенный И.Я. Башиловым метод был рассмотрен в Комитете по делам изобретений и одобрен Бюро полезности (было и такое!).

В 1925 году в Москве состоялось Первое Всесоюзное совещание по редким элементам. Совещание признало «организацию радиевой промышленности ценным и крупным завоеванием еще молодого Союза». Наверное, сами авторы этих слов не понимали, насколько ценным и важным для Советского Союза окажутся исследования ядерных процессов.

В 1932 году Дж. Кокрофт и Э. Уолтон экспериментально подтвердили теорию эквивалентности энергии и массы, ранее выдвинутую Эйнштейном. 14 декабря этого же года директор Ленинградского физико-технического института А.Ф. Иоффе подписал приказ об образовании в Институте особой группы «по ядру».

В 1934 году в Италии Энрико Ферми использовал нейтроны для бомбардировки атомного ядра.

Далее события начинают развиваться по нарастающей.

В 1937 году Ирен Кюри открыла деление ядер урана под действием медленных нейтронов.

Наконец, в 1938 году немецкие ученые Ган и Штрассман открыли цепное деление ядер урана. Причем они не отважились допустить мысль, что открыли возможность получения колоссального количества энергии. Это увидела австрийская ученая Л. Мейтнер, которая в 1939 году объяснила процессы цепного деления ядер урана. В Советском Союзе в это время Г.Н. Флёров и К.А. Петржак открыли явление самопроизвольного распада урана.

Все эти исследования осуществлялись на фоне витавшего в воздухе предчувствия новой мировой войны. В Германии к власти пришли фашисты, многие видные ученые «неарийского» происхождения были вынуждены покинуть не только Германию, но и Европу. Мировые державы вели дипломатические игры и готовились к войне. Естественно, как только стало понятно, что исследования в области деления ядер урана могут закончиться созданием оружия, все страны тут же их засекретили. А ученые, занимающиеся этой проблемой, оказались перед сложным моральным выбором: дать в руки своим правителям оружие невиданной силы, и в случае его применения оказаться виновниками массовой гибели людей, или дать возможность создать это оружие ученым других стран, и оказаться косвенным виновником гибели граждан уже своей страны.

Выбор был сделан в пользу первого варианта.

Декан физического факультета Колумбийского университета профессор Дж.Б. Пеграм обращается с письмом начальнику морских операций, адмиралу Хуперу:

«Сэр! …Эксперименты, проведенные в физических лабораториях Колумбийского университета, показали, что… есть возможность использовать уран в качестве взрывчатого вещества, которое выделяло бы в миллион раз больше энергии на килограмм вещества, чем любой известный тип взрывчатки. Мне лично кажется, что шансов здесь мало, но мои коллеги и я считаем, что нельзя пренебрегать даже малейшей возможностью».

Благодаря этому письму 18 марта 1939 года Энрико Ферми, эмигрировавший из Италии в США, получает возможность встретиться с группой военно-морских технических экспертов и попытаться убедить их в необходимости работ по созданию атомного оружия.

Но военные ничего не поняли из английско-итальянской речи постоянно сбивающегося от волнения Нобелевского лауреата и вежливо ответили, что бомба на каких-то там непонятных «изотопах» их не заинтересовала. Они предпочитают вместо туманной перспективы создания большой бомбы финансировать разработку самолетов, танков и кораблей. Встреча прошла безрезультатно.

Но физики на этом не остановились, они подключили к этому Эйнштейна, как самого известного, популярного, а значит и влиятельного ученого в Америке. В июле 1939 года Ю. Вигнер, Л. Сциллард встречаются с А. Эйнштейном и убеждают его написать письмо американскому президенту Рузвельту о возможности создания атомной бомбы.

Известный немецкий физик М. Борн писал: «Изгнанные физики знали, что не будет спасения, если немцам первым удастся создать атомную бомбу. Даже Эйнштейн, который всю жизнь был пацифистом, разделял этот страх и дал уговорить себя нескольким молодым венгерским физикам, просившим предупредить президента Рузвельта».

После тягостных размышлений 2 августа 1939 года А. Эйнштейн пишет письмо американскому президенту Рузвельту, он описывает возможность создания бомбы, которая, «доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией».

Письмо позволило 11 октября 1939 года А. Саксу встретиться с Рузвельтом, но первая встреча не увенчалась успехом. Только со второго раза удалось убедить президента начать работы над ядерным оружием. Причем главным аргументом послужил рассказ Сакса про изобретателя Фултона, который предложил Наполеону использовать пароходы для завоевания Англии, но был им высмеян. Позже сам Наполеон назвал это своей главной ошибкой в жизни.

Этот рассказ возымел действие, и 20 февраля 1940 года были выделены первые субсидии (6 тыс. долларов) для закупки делящихся материалов.

Процесс создания атомной бомбы оказался запущен и начал все быстрее раскручиваться по мере приближения к конечному результату.

Так в 1940-1941 годах военное ведомство США уже заключило 16 контрактов на сумму 300 тыс. долларов. 13 августа 1942 года образован новый инженерный округ, утверждён комплекс инженерных, промышленных работ, созданы лаборатории, разведывательные отделы, а в ноябре началась сверхсекретная стройка «атомного города» в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико).

В точности такая же ситуация складывается и в других странах: военные относятся к предложениям ученых вначале более чем прохладно, а затем начинают всемерно поддерживать.

24 апреля 1939 года П. Хартег и В. Грот посылают письмо военному руководству Германии о возможности создания атомной бомбы. Но не дождавшись реакции военных, они начинают ядерные исследования самостоятельно. И только после того, как стали известны опыты Гана и Штрассмана, был организован полигон Куммерсдорф под Берлином для сборки реактора. Произошло это в июне 1939 года.

В нашей стране в это время осуществляется уже пройденный в Америке и Германии этап убеждения властей в необходимости разработки атомной бомбы. 12 июля 1940 года В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, В.Г. Хлопин в письме на имя заместителя Председателя СНК СССР, председателя Совета по химической и металлургической промышленности Н.А. Булганина указали на «…огромное количество внутриатомной энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде», а также на то, что «…в Англии, Соединенных Штатах и Германии лихорадочно ведутся работы, стремящиеся разрешить этот вопрос, и на эти работы ассигнуются крупные средства».

Страна живет в страхе террора, многие видные ученые подвергнуты репрессиям или заняты разработкой военной техники, крайне необходимой для надвигающейся войны… Все ядерные исследования остановлены.

Между тем международная команда в США работает не за страх, а за совесть, и 2 декабря 1942 года, 15 ч 25 мин Чикагского времени осуществлен запуск первого ядерного реактора под Чикагским стадионом.

Г.Н. Флёров пишет письмо в Государственный комитет обороны о необходимости работ по созданию урановой бомбы. И. Сталин принимает решение о возобновлении работы по ядерным исследованиям, прекращенной незадолго до войны, но исследования начались лишь летом 1944 года в Харькове.

В США к этому времени было накоплено уже достаточно делящегося материала и через год, 16 июля 1945 года в 19 ч 30 мин среднеевропейского времени В Аламогордо (пустыня Нью-Мексико) взорвана первая в истории Человечества атомная бомба.

Лётчики ВВС США на стратегических бомбардировщиках Боинг Б-29 «Суперфортресс» в пустыне штата Юта начинают отрабатывать странный манёвр: осуществляется набор максимальной высоты, затем сбрасывается металлическая болванка массой 5 т, затем без промедления разворот на 160 и набор самой большой скорости, на которую только способен этот самолет. Во время падения болванки пилоты должны оказаться от нее на расстоянии не менее 13 км.

Другие летчики, не участвующие в этих странных упражнениях, издевательски называли своих товарищей метателями тыкв.

Наступило 6 августа 1945 года. В 2 часа 27 мин на военной базе острова Тиниан летчики пробираются к своим самолетам через толпу репортёров, которым сказали, что сегодня - «начало новой эры». Репортёры хватают членов экипажа за руки и просят надеть принадлежащие им кольца и часы, чтобы потом иметь памятный сувенир.

В 4 часа 52 мин командир воздушной группы полковник Тиббетс включает магнитофонную запись со словами: «Эта запись скоро станет достоянием истории, я прошу следить за своими выражениями. Мы скоро сбросим первую атомную бомбу!»

В 8 часов 00 мин японские наблюдатели засекли самолет на подступах к Хиросиме. Объявляется тревога, но сообщается, что осуществляется разведывательный полёт, так как американцы специально в течении нескольких месяцев в это время пролетали над городом, «приучая» жителей и военных не бояться самолета.

В 8 часов 13 мин 30 с Нажат рычаг. Бомба сброшена.

8 час. 15 мин 30 с - взрыв…

Члены экипажа так описывают свои впечатления:

Сержант Б. Кэрон:

«Сначала яркая молния взрыва, затем слепящий свет, в котором была видна приближающаяся взрывная волна, потом - грибообразное облако. Впечатление было такое, словно над городом бурлило море кипящей смолы».

Капитан Льюис:

«Мы увидели то, чего не видел ни один человек. Город на 9/10 покрыт клубящимися облаками дыма, который менее чем за 3 мин достиг высоты 30 тыс. футов и поднимался всё выше…».

Полковник Тиббетс:

«Вместо города было облако. Оно бурлило и меняло цвет - оранжевое, серое, голубое. Внутри был чёрный дым, пыль мусор, отчего казалось, что перед нами бурлящий котёл. Мы не могли поверить, в то, что увидели. Ведь это была одна бомба! Всего одна! Это невозможно! Этого не может быть!»

Капитан Льюис:

«Мы, правда, ждали чего-то страшного, но то, что мы тогда увидели своими глазами, вызвало у нас ощущение, что мы являемся чудовищными воинами XXV века… На обратном пути мы представляли собой группу людей, которые были в полном смятении. Мы видели самое плохое, что может видеть человек. Было жутко сознавать, что с земли исчез целый город…».

Тепловая волна расплавила даже черепицу крыш. Люди, находившиеся под взрывом, испарились. Ударная волна в радиусе 4 км всё превратила в мелкую пыль, обрушила тысячи топящихся печей, усиливших всеобщий пожар. Пошел черный дождь крупных шариков сажи, обратный ветер выворачивал деревья и поднимал в реке огромные волны.

А так описывает последствия взрыва житель города Хиросимы Юкио Ото:

«Живые выглядели ещё ужаснее мёртвых. Люди, у которых от взрыва вытекли глаза, ползли по улицам, стараясь по памяти найти путь к реке, чтобы утолить страшную жажду… Они уже не были похожи на человеческие существа, а напоминали, скорее, личинок насекомых, которые упали с листвы на тротуар и теперь беспомощно ползли».

Город перестал существовать. Сразу погибло 240 тыс. человек, 163 тыс. получили ранения, лейкемию, пластическую анемию, катаракту, рак. С точки зрения военных эффект был отличным. Но для надежности эксперимента 9 августа 1945 г., 11 ч 02 мин был произведен еще один взрыв над городом Нагасаки.

А 9 августа президент Трумэн выступил по радио:

«Мы благодарим бога за то, что бомба появилась у нас, а не у наших противников, и мы молим о том, чтобы он указал нам, как использовать его по воле божьей и для достижения его цели…».

Несомненно, что гибель сотен тысяч ни в чем не повинных мирных жителей потребовалась американским политикам для устрашения СССР.

Понятно, что отношение в Советском Союзе к ядерным исследованиям резко переменилось: все финансовые, энергетические, человеческие ресурсы брошены на создание атомной бомбы. Теперь уже советские ученые под руководством И.В. Курчатова изо всех сил стараются получить свой ядерный «козырь», так как предельно ясно, что в случае вооруженного конфликта США обязательно используют ядерное оружие, если не будут бояться адекватного ответа. Рассекреченные сегодня данные подтверждают эти опасения: премьер-министр Великобритании Черчилль настойчиво предлагал сбросить атомную бомбу на Москву, пока у Советов не появилось собственное атомное оружие.

Первое в СССР предприятие по получению плутония в военных целях было построено на Южном Урале недалеко от старинных городов Кыштым и Касли. Сегодня это - город Озерск. С этими же целями в том же 1945 году на Урале был создан Уральский электромеханический завод (г. Новоуральск).

А небольшой поселок Саров 1 апреля 1946 года начал свое превращение в первый советский ядерный центр - Арзамас-16. 21 апреля 1947 года началось создание Семипалатинского испытательного полигона (сейчас это территория Казахстана), где позже и были взорваны первые советские атомная и водородная бомбы. 6 июня 1947 года было положено начало созданию еще одного завода для получения ядерных материалов, на базе которого под Свердловском вырос город Лесной. Как видно, для создания атомной бомбы потребовалась постройка целых городов, которые за несколько месяцев вырастали в глухих, мало кому известных местах.

25 декабря 1946 года в СССР была осуществлена управляемая цепная реакция деления ядер урана. И 29 августа 1949 года взорвана первая советская атомная бомба РДС-1 на полигоне под городом Семипалатинском.

Американские политики, военные, ученые никак не ожидали такой быстроты. Но этот просчет ничему их не научил. Теперь была сделана ставка уже на более мощное оружие - термоядерное. 1 ноября 1952 года в 7 ч 14 мин произведён первый водородный взрыв (не бомбу!) в штате Невада. В США тогда полагали, что СССР не сможет сделать термоядерную бомбу, так как ее физические принципы очень сложны, а необходимые математические расчеты Советскому Союзу не под силу из-за отсутствия достаточных мощностей ЭВМ.

Советы нашли очень простой и нестандартный выход из этой ситуации - было принято решение о мобилизации сил всех математических институтов и известных математиков. Каждый из них получал ту или иную задачу для теоретических расчетов, не представляя общей картины и даже цели, для которой его расчеты использовались. Для увеличения количества квалифицированных математиков был резко увеличен прием студентов на все физико-математические факультеты университетов. По числу математиков в 1950 году СССР уверенно лидировал во всем мире.

Результат не замедлил сказаться: 8 августа 1953 г. В СССР произведено испытание первой в мире водородной бомбы, основными разработчиками которой были В.Б. Адамский, Ю.Н. Бабаев, А.Д. Сахаров, Ю.Н. Смирнов и Ю.А. Трутнев. СССР вырвался вперед.

30 октября 1961 г. ода над Новой Землей (СССР) взорвана водородная бомба в 50 мегатонн, навсегда вошедшая в историю человечества как самая мощная. Проектная мощность «супербомбы» массой около 26 т достигала 100 Мт, но для испытаний ее «уполовинили» до 50 Мт. Радиус поражения бомбы - около 35 километров. Ядерный гриб взрыва поднялся на высоту 67 километров; диаметр его двухъярусной «шляпки» достиг (у верхнего яруса) 95 километров. Излучение вызывало ожоги третьей степени на расстоянии до 100 километров. Ударная волна, возникшая в результате взрыва, три раза обогнула земной шар. Ионизация атмосферы стала причиной помех радиосвязи даже в сотнях километров от полигона в течение около 40 мин. Свидетели почувствовали удар и смогли описать взрыв на расстоянии тысячи километров от его центра. Несколько таких бом, взорванных одновременно, могли привести к непоправимым земным катаклизмам. Даже военным стало очевидно безумие идеи использовать это оружие в войне.

А.Д. Сахаров рассказывал, что когда он изложил морякам идею изготовления гигантской торпеды со стомегатонным зарядом для удара по портам и прибрежным городам восточного побережья Америки, они были шокированы «людоедским характером» проекта и заметили, что военные моряки привыкли бороться с вооруженным противником в открытом бою и что для них отвратительна сама мысль о таком массовом убийстве.

Но «союзники» по второй Мировой войне друг другу в кровожадности ничуть не уступали. Были разработаны так называемые «Ядерные рюкзаки» массой всего 68 кг и мощностью в 1 килотонну. Американцами была выдвинута идея создания по границе ГДР и ФРГ так называемого ядерно-минного пояса. А британцы собирались в случае оставления своих баз в ФРГ эти заряды подорвать по радиосигналу уже в тылу «наступающей советской армады». Что станет с Германией, посреди которой будут взорваны тысячи таких бомб? - этот вопрос американских и британских политиков волновал в последнюю очередь.

К концу 1970-х годов установился ядерный паритет противостоящих сверхдержав по всем компонентам и тупик «ядерной стратегии» стал очевиден.

Сегодня мы может сказать, что ядерная гонка вооружений закончилась, но она породила в разных странах гигантские по размаху и стоимости государственные программы:

1. Постройку подземных убежищ, командных пунктов, хранилищ, транспортные коммуникаций.

2. Освоение околоземного космического пространства (знаменитая королевская ракета Р-7, выведшая на орбиту и первый искусственный спутник, и корабль «Восток-1», была разработана для «заброски» термоядерного заряда).

3. Создание комплекса средств разведки и управления, охватывающих практически всю планету и базирующихся на группировке орбитальных спутников (спутниковое телевидение, средства спутниковой навигации, интернет).

Работы над термоядерным оружием способствовали развитию физики высоких давлений и температур, существенно продвинули астрофизику, объяснив ряд процессов, происходящих во Вселенной.

Но несмотря на множество весьма полезных технических последствий, гонку вооружений никак нельзя назвать позитивным явлением.

На эти колоссальные деньги можно было сделать очень много добрых, полезных и захватывающих дел: победить голод на всей земле, избавить Человечество навсегда от многих болезней (туберкулеза, рака и т.п.); построить поселения на Луне, подводные города в океане и т.п.

В настоящее время сложилась парадоксальная ситуация: человека дешевле кормить и содержать всю его жизнь, чем однажды убить с использованием самых современных военных разработок по всем правилам военной науки. Это еще раз доказывает известную истину, что добрым быть не только приятнее, но и выгоднее!

И ещё: вся эта история с созданием ядерного оружия показала, насколько мощной силой стала наука, насколько важно прислушиваться к мнению научного сообщества, и насколько возрастает нравственная ответственность ученых за свои открытия и изобретения, а политиков - за их использование.

Темы для докладов и рефератов

Принцип действия атомной и термоядерной бомбы.

История изобретения советской атомной бомбы.

И.В. Курчатов - отец советской атомной бомбы.

А.Д. Сахаров - создатель водородной бомбы и лауреат Нобелевской премии мира.

Поражающие факторы ядерного взрыва.

«Ядерная зима» как предполагаемое следствие ядерного конфликта.

Международные договоры о нераспространении ядерного оружия.

Атомная энергия на мирной службе.

Первый в мире реактор на быстрых нейтронах Белоярской АЭС.

Дискуссии

Гонка вооружений - благо или зло для Человечества?

Несет ли ученый ответственность за использование своих изобретений?

Литература

Надеждин, Н.Я. История науки и техники / Н.Я Надеждин. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 621 с.

Иойрыш, А.И. А-бомба / А.И. Иойрыш, И.Д. Морохов, С.К. Иванов. - М.: Наука, 1980. - 423 с.

А.Б. Колдобскому «Стратегический подводный флот СССР и России, прошлое, настоящее, будущее»).

Холодная война. http://www.coldwar.ru/arms_race/nuclear.php.

Хронология основных событий истории атомной отрасли СССР и России. -

www.npc.sarov.ru/issues/coretaming/

4.8 Наука

Нет столь великой вещи, которую мы превзошли бы величиною еще большей. Нет вещи столь малой, в которую не вместилась бы еще меньшая.

Козьма Прутков,

Мысли и афоризмы, №4

Наука и техника тесно связаны друг с другом - развитие науки приводит к появлению новых технических устройств, которые, в свою очередь, служат стимулом для новых научных открытий. Исследование Герцем свойств электромагнитных волн привело к изобретению радио, без которого не появился бы новый раздел астрономии - радиоастрономия. Технические задачи, решаемые в научных целях радиоастрономии, приводят к новым изобретениям и т.п.

Изобретение рентгеновского аппарата послужило предпосылкой важнейших фундаментальных открытий в разных научных областях, в частности, позволило расшифровать геном человека. Это привело к революции в фармакологии, к появлению множества новых лекарств.

Таких примеров можно привести множество.

Спорить о том, что первично - теоретическое положение или техническое устройство, то же самое, что решать вопрос о первичности яйца или курицы. В вышеприведенном примере, начатом с открытия свойств электромагнитных волн, история вовсе не начинается с этого места: если бы Румкорф не изобрел катушку, использование которой позволяет получать красивые искры, не было бы и блестящих исследований Герца.

Мы рассмотрим один из самых грандиозных научно-технических проектов, реализация которого привела к появлению новых технических решений и устройств.

Кто в наше время не слышал про большой адронный коллайдер, сокращенно - БАК? Но не все представляют назначение и масштабы этого уникального устройства. А они действительно заслуживает такого описания.

БАК - это ускоритель протонов, разгоняющий их до скорости, близкой к скорости света - почти 300 000 км/сек. Одна такая частица имеет такую же энергию, как поезд массой в 400 тонн, несущийся на скорости 200 км/ч. Каждый пучок протонов обладает огромной температурой, заключенной в нем энергии достаточно, чтобы расплавить полтонны меди. «Если в двух словах, то наша техническая задача сводится к тому, - объясняет Оливер Брюнинг, один из участников проекта, - чтобы провести через холодную, как космический лед, дыру экстремально горячий объект. Да так, чтобы он не коснулся стенок».

При столкновениях этих частиц на таких скоростях высвобождается огромное количество энергии и рождается много частиц. Исследуя эти частицы, ученые надеются узнать больше о строении и рождении Вселенной.

Ускоритель частиц создавался под руководством европейского исследовательского центра физики элементарных частиц - ЦЕРН (CERN, Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire). Этот ускоритель расположен в туннеле с длиной окружности 26,7 км, под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля - от 50 до 175 метров. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при очень низкой температуре 1,9 K (?271°C). Это требует использования очень дорогостоящей аппаратуры для охлаждения.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составляет 180 МВт. Эти энергозатраты сопоставимы с потреблением электричества вполне приличным городом и составляют около 10% от суммарного годового энергопотребления всего административного округа Женева, на территории которого и находится коллайдер.

Только один детектор, собранный для регистрации частиц, имеет размеры с четырехэтажный дом, и массу 12500 т. Вокруг тонкой стальной трубы в центре детектора, где столкнутся частицы, расположены измерительные приборы. Далее - 10 миллионов тончайших кремниевых полосок. Они смогут зафиксировать траектории заряженных частиц, например, электронов, с точностью до 0,05 мм. Затем 80 тыс. чистейших кристаллов вольфрамита свинца измерят энергию определенных частиц. А тысячи квадратных метров плоских газонаполненных дрейфовых камер зарегистрируют траектории родившихся мюонов - частиц, электрически заряженных подобно электрону, но в 200 раз тяжелее.

Казалось бы, каким образом БАК может быть отнесен к техническим инновациям? Действительно, ускоритель - это передний край науки, штучный товар, ничего такого, что потом можно было бы использовать в быту, коллайдер произвести не может. Траты есть - товаров нет! Можно сказать, что БАК - самая дорогая в мире игрушка для физиков. Бюджет проекта на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долларов. Именно столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет.

Все не так просто, как кажется на первый взгляд. Оставим в стороне тот экономический эффект, который имеет ненулевую вероятность при отдаленном коммерческом использовании открытий, сделанных на ускорителе.

Целесообразность постройки такого объекта как большой адронный коллайдер определяется более близкими перспективами и вовсе не выглядит фантастически.

Во-первых, такие проекты служат центрами концентрации лучших ученых со всего мира. Сейчас с ЦЕРНом сотрудничают около 7000 специалистов из разных стран. Ещё более 2000 ученых из 37 стран вложили в этот проект свои знания и силы. Россия в этом проекте представлена весьма солидно: задействовано более 700 специалистов. А там, где концентрируется мировой интеллект, всегда появляются новые идеи и изобретаются новые технические устройства. Поэтому значение этого фактора для Швейцарии и Франции просто трудно переоценить.

Во-вторых, постройка такого сверхсложного и трудоемкого объекта обеспечивает работой самые передовые предприятия во всем мире: стойки для машин поставили Китай и Пакистан, в изготовлении газонаполненных мюонных детекторов участвовали Белоруссия, Россия, Колумбия, США, Южная Корея, над электронной камерой работали в Мексике, Новой Зеландии, Финляндии и Германии. Общая стоимость заказов, которые получили только российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 млн долларов.

Естественно, что для достижения поставленных технических задач потребовались новые технические решения, которые можно в дальнейшем использовать в промышленности.

Отдельно необходимо отметить решения в области современных информационных технологий.

Протоны будут сталкиваться друг с другом каждую 25-миллиардную долю секунды, при каждом столкновении будет образовываться около 1000 частиц, чтобы пройти через весь детектор, им понадобится 30 наносекунд. Миллионы датчиков за одну секунду выдадут миллиарды замеров. Фиксация этих событий требует гигантского объема памяти. Каждая запись занимает несколько мегабайт. Для всех экспериментов это составляет гигабайт в секунду, а за год таким образом накапливаются от 10 петабайт до 15 петабайт (миллионов гигабайт). Если записать эту информацию на обычные CD-диски и сложить их, получилась бы башня высотой 20 км.

Чтобы контролировать этот невероятный информационный поток и предоставить ученым со всего мира к нему доступ, в ЦЕРНе создают глобальную вычислительную сеть на основе Grid-технологий. Для решения требуемых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путем моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений LHC@home. Около ста компьютерных центров в институтах, расположенных на разных континентах, образуют единый «сверхкомпьютер» - такова модель этой системы глобальной обработки данных, которой прочат большое будущее.

Как видно из приведенных примеров, задачи, возникающие при попытках понять устройство мироздания, грандиозны, и сегодня требуют усилий всех стран, и наглядно показывают, что покорение Вселенной - дело, посильное только для объединенного Человечества. А это много стоит.

Когда коллайдер прекратит свою работу, он еще долго будет «кормить» местных жителей как музей, куда будут приезжать туристы со всего мира, чтобы своими глазами увидеть то место, где были открыты тайны Вселенной. Ну и, наконец, фундаментальные открытия, которые обязательно будут сделаны на адронном коллайдере, обязательно приведут к появлению новых технических инноваций.

Темы для докладов и рефератов

Как увидеть невидимое (средства регистрации чаестиц).

Принцип действия и устройство ускорителей частиц.

История создания ускорителей.

Устройство большого адронного коллайдера.

История практического применения некоторых (на выбор обучающегося) фундаментальных научных открытий.

Глобальная вычислительная сеть на основе Grid-технологий.

Использование ускорителей в медицине.

Дискуссии

А нужен ли большой адронный коллайдер?

Литература

Бахман, Внутри коллайдера / К. Бахман. GEO. №3. 2005.

Большой адронный коллайдер. Chris Llewellyn Smith in Scientific American, Vol. 283, No. 1; pages 70-77; July 2000.

Открываем квантовый мир: www.inter-actions.org/quantumuniverse/qu2006

Страницы ЦЕРН для широкой публики: http://public.web.cern.ch/public

Эксперименты на БАК: http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHC_Experiments.htm

Блоги США по теме «БАК»: Monica Dunford, Pamela Klabbers, Steve Nahn and Peter Steinberg. См. www.uslhc.us/blogs

Ежедневная информация о состоянии дел с запуском БАК: http://lhc.web.cern.ch/lhc

4.9 Охрана природы

Деньги не пахнут!

Император Веспасиан

Человек является важной частью единой, сложнейшей сбалансированной системы - земной биосферы. Каждый элемент этой биосферы выполняет свою миссию, назначенную природой: растения улавливают солнечную энергию, поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород, служат пищей для множества живых существ; планктоном кормится огромное множество морских обитателей; волки убирают старых и больных животных, улучшая тем самым генетический фонд травоядных и т.п. Какова же роль человека? Существует точка зрения, в соответствии с которой Человечеству отведена важнейшая, но довольно печальная функция - сжечь все органические запасы, возвратить в атмосферу связанный растениями углекислый газ, повысить ее температуру и вернуть Земле молодость. При этом Человечество и многие другие виды могут прекратить свое существование, но это - непрерывно продолжающийся процесс изменения нашей планеты. Техника многократно усилила возможности Человека, что позволит ему значительно сократить время выполнения своей миссии. Но надо ли Человечеству покорно двигаться по этому пути?

Может ли техника, ускоряющая наше приближение к краю пропасти, наоборот, отдалить этот момент? Может, и даже должна! Но для этого необходимо, чтобы любая техническая инновация уменьшала, а не увеличивала воздействие Человека на окружающую его среду.

Контролем за этим воздействием занимаются различные общественные, группы, ассоциации, неправительственные и правительственные организации, объединенные общим названием - «зеленое движение». Это движение занимается борьбой с разрушением окружающей среды, добивается большей гармонии во взаимоотношениях между человеком и природой. Уже сегодня «зеленые» представляют огромное количество людей, являются мощной социально-политической силой, с которой вынуждены считаться не только правительства отдельных стран, но даже всемогущие транснациональные корпорации. И если какое-либо техническое новшество вызывает недовольство зеленого движения, то у него мало шансов на успешное внедрение.

В общественном сознании идеи сбережения природы стали приобретать все большую значимость и ценность. В Европе, например, появилось «Зеленое электричество», которое стоит дороже традиционного, но получено от экологически чистых электростанций (ветровых, приливных, геотермальных, солнечных). Все большее количество людей начинает пользоваться именно таким электричеством. Полученные средства идут на развитие экологически чистой энергетики.

Самой главной причиной, определяющей развитие техники в «зеленом» направлении, является все же экономическая.

В постиндустриальном обществе возникло понятие «естественный капитал», обозначающее те естественные ценности, которые не созданы человеком, но имеют свою цену: луга, реки, озера, леса. Естественный капитал может рассматриваться как общая сумма экологических систем, которые поддерживают жизнь.

Причем цена естественного капитала не является некой абстракцией, а имеет конкретные денежно выражающиеся значения. Квартира вблизи чистого озера и возле опушки соснового бора будет иметь большую стоимость, чем точно такая же квартира неподалеку от хранилища отходов производства алюминиевого комбината. Бизнес, интересы которого связаны исключительно с извлечением прибыли, теперь в общем балансе должен учитывать и производимые им изменения в естественном капитале. Иначе вполне может так оказаться, что ущерб, нанесенный природе, принесет предприятию финансовые убытки, большие, чем прибыль от произведенной продукции.

Естественно, что среди конкурентных качеств, необходимых технической новинке для выживания в процессе естественного отбора технической эволюции, появляется новое - экологическая безопасность. Например, все чаще люди предпочитают покупать экологически чистый автомобиль, несмотря на его большую цену и худшие технические характеристики по сравнению со своим экологически более вредным конкурентом.

Электромобили, водородные двигатели, энергосберегающие бытовые приборы, экологически безопасные упаковочные материалы и т.п. - все это создается и разрабатывается в соответствии с требованиями времени, связанными с охраной окружающей среды.

Человек прошлого не мог даже представить, что его потомкам будет не хватать чистого воздуха и воды. И если уж мы сегодня не в состоянии обеспечить чистым воздухом и водой всех, то каждый начинает решать эту проблему индивидуально, для себя и своей семьи. Воздухоочистительные и водоочистительные приборы пришли в наши квартиры.

Существует несколько основных типов воздухоочистителей, имеющих различные принципы действия.

Один из них - электростатический очиститель. Пластины, между которыми пропускают воздух, разноименно заряжают. Пыль, сначала попадая на положительно заряженную пластину, положительно заряжается, а затем оседает на другой пластине, отрицательно заряженной. Электростатические очистители воздуха хорошо очищают воздух от пыли, табачного дыма, пыльцы, позволяют удалять из воздуха мелкие частицы вплоть до 0,01 мкм, при этом уничтожаются все вирусы и бактерии, находящиеся в нем, но эти устройства не освобождают от таких токсичных загрязнителей, как окислы азота, формальдегид и других летучих органических соединений.

Широко распространен еще один тип очистителей: с угольными фильтрами или фильтрами из специально обработанного пористого материала. Они улавливают не менее 99,97% твердых частиц размером до 0,3 микрон, в том числе, шерсть животных, пылевого клеща, споры плесени, пыльцу, цементную пыль, но требуют частой замены.

Очень простыми по устройству и дешевыми являются очистители-увлажнители, называемые мойками воздуха. Принцип их действия достаточно прост: воздух, проходя через водяной аэрозоль (мелко распыленную воду в воздухе), освобождается от намокающих частиц пыли. «Мойки воздуха» хорошо справляются с очисткой воздуха помещений от текстильной, целлюлозной, древесной, угольной пыли, пыльцы, песчинок, частиц кожи, строительной пыли.

Наиболее технически совершенными являются фотокаталитические очистители. Их действие основано на явлении фотокатализа - взаимодействии химических соединений с кислородом воздуха под действием ультрафиолетового излучения в присутствии катализатора (диоксид титана). В результате происходит окисление химических веществ, таких как, например, угарный газ, окислы азота, аммиак, сероводород, ароматические углеводороды, компоненты табачного дыма. Под действием ультрафиолетового излучения погибают все вирусы, бактерии и молекулы размером больше 0,001 мкм.

Также все большее распространение получают очистители воды. Принцип их действия достаточно прост: это использование различного рода фильтров и озонирование воды.

Но если мы будем, сидя у себя в квартирах, потреблять воздух и воду, а взамен выделять при этом все большее количество отходов, чистой воды и воздуха будет все меньше и меньше. Свалки и разного рода отстойники все больше уродуют нашу землю, превращая некогда красивые места в зловонные помойки. Только в России ежегодно образуется до 130 млн тонн твердых бытовых отходов. Уже сейчас полигоны мусора завершают окружение многих российских городов. Давно уже стало очевидным, что закапывание мусора в землю - тупиковый вариант. Окончательное решение проблемы возможно только одним способом - необходима полная переработка отходов для их вторичного использования. В этом случае «мы впишемся» в общий земной круговорот, продолжающийся без сбоев миллионы лет.

Страны, не имеющие таких больших пространств и природных ресурсов, как наша страна, давно уже успешно двигаются по этому пути. Отходы стали источником множества ценных материалов. В бытовом мусоре содержится более 20% бумаги, столько же стекла, около 20% пластика и примерно 4-5% металла, приблизительно 30% приходится на органические вещества.

Бумагу можно использовать вторично, из пластика после соответствующей обработки можно изготовить ведра, лейки, бочки, канистры и тому подобные изделия, из органических отходов получается компост для удобрений, биотопливо. Но и это еще не все: из твердого мусора можно изготавливать полимерно-бумажные плиты, годные для облицовки стен, потолков, строительства перегородок и изготовления мебели. После термической обработки можно получать прекрасный материал для строительства, дорожные плиты, бордюрный камень.

С помощью специальных реакторов органические отходы можно превратить в углеводородное топливо. Например, из автомобильных покрышек и пластмасс получают высококачественный топочный мазут для котельных. Из одной тонны твердых бытовых отходов получается от 200 до 300 литров дизтоплива; из тонны отработанных покрышек - 300-400 литров; из тонны пластмассы - до 800 литров. Как утверждают специалисты, уже сегодня можно ликвидировать до 70% мусора с пользой для человека и без вреда для природы. Как только будет получен стопроцентный результат - проблема отходов перестанет существовать.

Один из первых заводов по переработке твердых бытовых отходов появился в Германии в г. Дуслинген в 1981 году. Деньги на его постройку уже давно окупились, так как годовой доход от реализации извлеченного сырья составляет примерно 675 млн марок. Но самый главный эффект заключается в том, что мусороперерабатывающий завод не имеет никаких выбросов - газовых, жидкостных, пылевых. Успешность работы этого завода привела к дальнейшему развитию идеи мусоропереработки. Главная, наиболее затратная часть работы такого завода связана с сортировкой мусора. Для устранения этой проблемы в Германии были приняты специальные законы об утилизации бытовых отходов, предписывающие гражданам вести сортировку мусора. Была разработана и внедрена специальная программа, направленная на обучение населения цивилизованному обращению с бытовыми отходами. В Японии закон о введении раздельного сбора емкостей и упаковок был принят в 1997 году.

Во всем мире ведутся активные исследования поиска путей повышения эффективности мусоропереработки. Никому уже не кажется странным, что свалка мусора сегодня является одним из самых перспективных объектов научно-технических исследований и сферой применения самых современных технических новинок. Можно с уверенностью утверждать, что в нашей стране переработка отходов имеет огромные инновационные перспективы, а введение в эксплуатацию современных мусороперерабатывающих заводов является не менее важным шагом в модернизации экономики, нежели, например, запуск новейшего фармацевтического завода, сборочного производства легковых автомобилей или компьютеров.

Есть еще один аспект деятельности человека, связанный с утилизацией отходов его жизнедеятельности. Говорить об этой проблеме не очень принято, да и не особенно приятно. Но если в каком-то месте поселяются люди (пусть даже несколько туристов с палатками), эта проблема становится одной из самых насущных и важных.

А теперь представим себе средневековый город без канализации с населением более чем в полмиллиона человек (например, Париж). Все бытовые отходы и результаты жизнедеятельности… просто выплескиваются из окон на мостовую! Отхожим местом в Версальском дворце служат ближайшие кусты и места во дворце… за шторами! Любой из современных людей, оказавшись в таком городе или дворце, постарался бы, в первую очередь, не замараться и навряд ли стал бы восхищаться красотой храмов и изяществом костюмов королевской знати. Такая антисанитария имеет значительно более серьезные последствия, чем оскорбление эстетических чувств: чума, холера, тиф - все эти инфекционные заболевания получают самые благоприятные условия для распространения в местах массовых скоплений людей. Не удивительно, что чума «выкашивала» население Европы, практически полностью вымирали целые города.

А вот население Древнего Рима, первого из известных в истории городов-миллионников, таких проблем не знало. Все потому, что в Древнем Риме была создана разветвленная и продуманная система водоснабжения и канализации. Чтобы римский водопровод доставлял горожанам чистую и свежую воду, строились и использовались масштабные очистные сооружения. Вода в них очищалась, последовательно проходя через несколько расположенных на разной высоте отстойников. Взвешенные частицы осаждались в специальных помещениях, а потом удалялись сквозь особые отверстия. Схема водопровода, обустроенного в Древнем Риме, содержала как надземные, так и подземные водоводы. Строительством водопроводных сетей занимались многие римские императоры в течение столетий подряд, постоянно совершенствуя конструкции подачи воды и наружную канализацию.

Высказывание императора Веспасиана «Деньги не пахнут» касалось введения налогов на канализацию. Сегодня эти слова используются в другом контексте, их приписывают тем, кто зарабатывает деньги нечестным путем. Но в изначальном смысле этот афоризм становится все более и более актуальным: органические отходы - великолепное сырье для получения топлива, а сфера бизнеса, связанная с их переработкой, является очень перспективной.

Каждый хотел бы, чтобы в его доме было уютно и тепло, чтобы можно было дышать чистым воздухом и пить чистую воду. Ради этого мы загрязняем все остальное пространство. Зачем после пикника на природе убирать оставленный нами мусор, если можно больше сюда не приезжать, а ехать в другое место, где подобные нам еще не отдыхали?

Но наш общий дом - Земля, не такой уж и большой, как казалось раньше. И другого места, во всяком случае, в ближайшей перспективе, у нас не будет. Загадив эту «полянку», мы не сможем перебраться на другую и погибнем, выполнив свое природное предназначение, подобно чрезмерно расплодившейся саранче.

Наглядным примером, доказывающим эту мысль, является масштабный эксперимент, проведенный в США - «Биосфера-2».

Потратив 200 млн. долларов, в 1991 году вблизи Оракла (штат Аризона) американские ученые построили герметичное стеклянное сооружение площадью 12750 кв. м. В этом здании попытались воспроизвести земную экосистему: внутри были представлены тщательно воссозданные разнообразные экосистемы, включая пустыню, тропический лес, саванну, болото, сельскохозяйственное поле и океан с коралловым рифом. Насекомые, пчелы и бабочки, рыбы, рептилии и млекопитающие должны были жить полностью изолированными от земли внутри купола. Вся циркуляция воздуха, воды и питательных веществ происходит внутри системы. Восемь экспериментаторов «бионавтов» должны были вписаться в эту экосистему и прожить там два года.

Через 17 месяцев из-за падения уровня содержания кислорода люди дышали воздухом, состав которого соответствовал высоте 5300 м. Пришлось закачать им наружного воздуха. Затем возникла необходимость и «подкормить» бионавтов, так как пищи тоже стало не хватать.

Этот эксперимент позволил сделать несколько выводов: во-первых, в земной экосистеме существует огромное количество самых разных взаимосвязей, каждая из которых является необходимой для существования всей системы; во-вторых, мы не знаем и не можем воспроизвести всех взаимосвязей земной экосистемы. Общий вывод заключается в том, что если экосистема Земли разладится, «починить» ее мы будем не в состоянии.

Восемь людей рождаются на планете каждые три секунды, наша земная биосфера становится все более тесной. Именно поэтому техника, создаваемая для служения человеку, сегодня должна, в первую очередь, обеспечить его содружество со всем живым на Земле, ибо в этом - залог выживания и самого Человечества.

Темы для докладов и рефератов

Достоинства и недостатки различных типов очистителей воздуха.

Физические принципы промышленной очистки воздуха.

Устройство и принцип действия очистителей воды.

Мусороперерабатывающий завод - воплощение передовой технической мысли.

Устройство городских очистных сооружений.

Проект «Биосфера».

Дискуссии

Техника - причина гибели или выживания Человечества?

Литература

http://www.futura.ru/index.php3? idart=67

http://oil-ref.ru/news.php-act=show_news_item-id=440

Заключение

Итак, краткий курс истории технических инноваций подошел к своему завершению. Конечно, мы постарались представить его в некоторой целостности и в аспекте появления технических изобретений охватить всю историю Человечества от создания каменного топора до строительства большого адронного коллайдера. Естественно, что мы не могли рассказать все интересные и поучительные истории. Покорение космоса, воздуха, морских глубин - про каждое из них по отдельности написано десятки и даже сотни интересных, захватывающих книг. Мы не упомянули много изобретателей, ученых, более чем достойных памяти и уважения, целые поколения которых обеспечили все те блага, которыми мы сегодня пользуемся даже не задумываясь. Но надеемся, что при чтении этой книги и другой литературы, в ходе дискуссий и занятий у читателя сложилось понимание того, что техника - это часть общечеловеческой культуры, отражающая возможности, мечты и достижения своей эпохи. В истории технических инноваций мы можем найти примеры величия человеческого духа, бескорыстного подвижничества и, как во всей истории, образцы людской глупости и жадности.

Красотой парусника мы можем восхищаться точно так же, как совершенством линий в картинах Рафаэля. Грозный обвод атомной подводной лодки будет всегда напоминать нашим потомкам о временах безумной гонки вооружений, точно так же как сегодня по-своему изящные рыцарские доспехи являются для нас символом мрачного Средневековья и Крестовых походов.

Без ложной скромности и самоуничижения объективный анализ общей истории технических инноваций позволяет сказать, что Россия внесла пусть не самый большой, но вполне достойный вклад в общий технический прогресс. Но этот вклад мог быть ощутимо большим, если бы в стране были созданы те условия, которые имели изобретатели наиболее развитых промышленных стран. Сегодня от успешности технических инноваций зависит уровень жизни людей и вопросы национальной независимости и безопасности государств. И Россия должна научиться более эффективному использованию всех технических талантов, которыми так богата российская земля.

...