«Молния» в бутылке: ученые создали импульс, который мощнее всей энергии на планете

Одна миллионно-миллиардная доля секунды — это в миллиард раз быстрее, чем моргнет глаз. Именно столько длится импульс энергии, который способен превзойти совокупную мощность всех электростанций на планете. Звучит как фантастика? Вовсе нет, потому что как раз такой «молнией в бутылке» могут теперь управлять физики из лаборатории SLAC в США.


Американские ученые не только побили все мировые рекорды, разогнав пучок электронов до невероятной мощности, они еще и приоткрыли дверь в мир совершенно новых технологий. Мегаимпульс поможет изучить далекие звезды и создать сверхпрочные материалы.

Рекорд с огромным потенциалом

В Национальной лаборатории SLAC есть ускоритель частиц под названием FACET-II. Здесь электроны разгоняются почти до скорости света (около 300 000 км/с!) в прямом туннеле длиной несколько километров. Такие ускорения позволили создать сверхсильный ток — 100 000 ампер. Этого хватило бы, чтобы запустить миллион микроволновок одновременно, правда, лишь на мгновение.



Как же исследователям удалось создать такой чудовищный по силе ток? Секрет успеха скрывается в уникальной напряженности магнитного поля, которая в FACET-II в пять раз мощнее, чем было в предыдущих установках.

Тут, наверное, стоит прибегнуть к аналогиям. Представьте себе футбольный мяч, который катится вниз по склону. Чем круче холм, тем быстрее мчится шар. Точно так же ведут себя электроны, которые «скатываются» по волне поля, набирая просто колоссальную энергию. Но вот как удержать частицы в узком пучке, чтобы они не растеряли свою силу?

Проблему решили магнитные дорожки. Ученые создали систему, которая распределяет электроны по энергии, как сортировщик монет. Частицы с меньшей энергией отправляются по более длинному пути (как медленные машины на гоночной трассе с шиканами — S-образными поворотами), а сильные — летят напрямую. В итоге электроны сжимаются в компактную группу длиной всего миллиметр. Когда они «врезаются» в мишень, выделяется энергия в петаватт. Это гораздо больше, чем вообще вырабатывается на Земле.

Формула-1 для электронов

Но даже на сверхскоростные электроны бывает проруха. На каждом повороте они теряют часть энергии, которая вылетает в виде рентгеновского излучения. В реальной жизни это выглядело бы, как если бы гоночный автомобиль лишался части топлива на каждом вираже. Поэтому для компенсации потерь американские физики сконструировали хитроумную систему, состоящую сразу из двух устройств.

Первое — это магнитная шикана. Она заставляет электроны с низкой энергией петлять, выравнивая их скорость с более «тяжелыми» энергетически собратьями.

Второе — ондулятор, устройство, похожее на гармошку из магнитов. Он быстро «трясет» электроны, заставляя их излучать энергию в контролируемом режиме. А чтобы синхронизировать этот процесс, используется вспышка сапфирового лазера — она работает как дирижер, задающий ритм движения частиц.



В результате электроны не только восполняют потерянную энергию, но и сжимаются в пространстве размером в треть микрометра (это в 300 раз тоньше человеческого волоса!). Именно так рождается та самая «молния в бутылке» — сверхмощный импульс, который можно направлять в нужное русло.

Где пригодится «молния»?

Следует отметить, что открытие физиков из лаборатории SLAC — это далеко не очередной научный рекорд. Импульс силой в петаватт может перевернуть множество научных и промышленных областей.



Например, ноу-хау очень поможет астрофизикам. С помощью нового метода ученые смогут моделировать условия, приближенные к тому, что творится внутри черных дыр или нейтронных звезд. А все потому, что теперь можно столкнуть частицы с невиданной до этого энергией. Это позволит понять, как рождались элементы во Вселенной.

Также петаватт-импульс — отличный инструмент для использования в материаловедении. Мощные рентгеновские импульсы смогут просвечивать практически любые материалы на атомарном уровне. К примеру, можно будет изучать, как ведет себя сталь в экстремальных условиях, или создавать новые сверхпроводники.

А какие возможности дает новая технология в медицине! Точные рентгеновские лучи можно использовать для ранней диагностики рака, делая снимки опухолей с высочайшим разрешением. А еще можно адресно доставлять радиацию в конкретные больные клетки.

Ну и, конечно, открытие американских физиков потенциально способно произвести прорыв в энергетике. Эксперименты с «квантовой пеной» (гипотетической структурой вакуума) могут привести к открытию новых источников энергии или способов ее передачи без потерь.


— шутят авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

Разумеется, на данный момент технологии требуется серьезная доработка, но уже сейчас понятно, что FACET-II — не просто ускоритель. Это как минимум ключ к дверям, за которыми скрываются технологии будущего. И кто знает, может, через пару десятилетий именно такие «молнии» будут питать наши города или лечить неизлечимые болезни.