Сергей Чумаков - Не фантастика, а наука

Ещё один факт в копилку оптимизма. Наше Солнце не является исключительной и редкой звездой в галактике. Его тип, жёлтый карлик спектрального класса G2V, распространён и даже в окрестностях Солнечной системы, в каких-то 12 световых годах есть почти двойник нашего светила – звезда тау Кита. Она чуть легче нашей, менее яркая и по некоторым данным обладает обширной планетной системой, причём целых два тела, похожих на Землю, находятся в зоне обитаемости. Впрочем, эту информацию надо ещё перепроверить новыми наблюдениями…

Так что поле для поиска инопланетной жизни, разумной или нет, достаточно широко. Последнее время в научной среде даже идёт дискуссия, какие конкретно черты экзопланет могут выдавать из обитаемость. И речь вовсе не о свидетельствах наличия разума, даже бурная жизнедеятельность инопланетных бактерий может быть обнаружена земными приборами. Согласитесь, подобное открытие перевернёт наше понимание о месте Земли во Вселенной.

Люди всегда мечтали о неиссякаемом или почти неиссякаемом источнике энергии. Вечный двигатель, к сожалению, запрещают создавать законы природы, а вот более-менее перспективный и достаточно дешёвый ресурс для получения тепла и электричества лежит у нас под ногами. В буквальном смысле.

Города и деревни в современной мире нуждаются как минимум в электроэнергии. Не всегда и не везде ещё есть возможность сделать её дешёвой. А ещё хотелось бы воспользоваться центральным отоплением, греть воду не в тазике или кастрюлях, а получать её прямо из крана. Если не рассматривать экономическую и политическую составляющую, обустройство элементарных комфортных условий упирается в чисто технические трудности. Топливо для генераторов и котельных надо завозить, что повлечёт с собой повышение издержек, его сжигание наносит некоторый вред окружающей среде, твёрдые отходы необходимо захоранивать, причём зола ряда углей вообще обладает высоким радиоактивным излучением. Многие альтернативные источники энергии, вроде ветряков, по последним данным, тоже оказались опасны для биосферы, так что не стоит их переоценивать.

Но давайте присмотримся к недрам планеты. Нет, не в поисках месторождений. Оказывается, температура поверхностных слоёв Земли растёт с увеличением глубины – примерно на один градус каждые 36 метров.

Что будет, если пробурить глубокую скважину, закачать туда теплоноситель, то есть воду или любую другую используемую в системах отопления жидкость, а затем выкачивать уже разогретое вещество или даже пар? С помощью них можно раскручивать турбины, получать тем самым электроэнергию или сразу отправлять в батареи жилых домой. Это достаточно примитивная схема уже существующих геотермальных теплоэлектростанций. Конечно, где попало строить их несколько опрометчиво. Как правило, наибольший рост температуры в зависимости от глубины залегания скважин, наблюдается в местах с высокой тектонической активностью, там, где проходят стыки тектонических плит.

На сегодняшний день на Аляске, Камчатке и Филиппинах уже существуют геотермальные станции. Но их особенностью является низкий коэффициент полезного действия – воду несколько раз прогоняют по скважинам, чтобы нагреть до достаточной температуры даже в местах с горячими недрами. Это значит, что если мы захотим построить такой объект в Сибири или на территории Европейской части страны, придётся усложнить цикл, перекачивая жидкость десятки раз, пока она дойдёт до нужного состояния. Возможно, когда технологии бурения продвинуться вперёд и скважину глубиной в 15 км будет легко создать, геотэс появятся под Москвой или Питером. В любом случае, кажется перспективным даже строительство таких станций на Камчатке с последующей передачей энергии в северные регионы страны.

Каждый, кто начинает изучать физику или хотя бы помнит некоторые темы из школьного курса, знаком с физическими константами, которые иногда называют «коэффициентами пропорциональности». Все эти неизменные цифры, которые предлагается выучить наизусть, на самом деле нужны не только для того, чтобы облегчить вычисления. Фактически, они описывают наш мир и его границы. Например, постоянная Планка, названная так по фамилии одного из основоположников квантовой механики. В чём её смысл?

Представьте, что вы бросаете связку ключей, которую ловит ваш друг или подруга. Полёт этого объекта можно отлично описать принципами и законами классической механики, правилами, по которым в природе существуют массивные и большие тела. Не составит труда найти скорость ключей, ускорение, построить траекторию полёта и даже вычислить место приземления. Но если мы попытаемся применить те же законы к элементарным частицам, чьи размеры гораздо меньше тех, которые человек способен изучать с помощью оптических микроскопов, нас ждёт глубокое разочарование. Результат получится абсолютно нереальный, расходящийся с наблюдаемыми явлениями.

И вот тут у природы есть одна чудесная особенность, своеобразная граница существования привычного мира с его достаточно простыми свойствами бытия – эту границу описывает постоянная Планка. Если какое-то действие, пространственная величина существует в масштабах меньше этой постоянной, то мы имеем дело с квантовым миром и его эффектами, а если больше, то в дело вступают законы классической науки. Например, когда вы добавляете сахар в стакан, то крупицы, размеры которых гораздо больше планковских, спокойно покидают ложку и оказываются в чае или кофе. А вот если бы это были планковские размеры и масштабы, то применялся бы принцип неопределённости и вот уже сахар в стакане найти проблематично. Зато, совершенно спокойно определялась бы вероятность нахождения сахара в сосуде.

Изначально постоянную Планка ввели как некоторую теоретическую абстракцию, но очень скоро оказалось, что подобная константа входит во все законы микромира. Фактически, будь она чуть больше или чуть меньше, реальность вселенной могла бы стать совершенно другой – квантовые законы, которые очень трудно себе представить, смогли бы действовать и в «большом» мире.

Но мы оставим этот сюжет фантастике.

Если вернуться к строгим определением, то постоянную Планка ещё называют квантом действия, то есть мельчайшей и универсальной частицей в описании процессов. Она связывает энергию колебательной системы с её частотой. Чтобы понять физический смысл этого описания, представьте, что в ваших руках верёвка и вы начинаете ею трясти в горизонтальной плоскости. Чем больше движений рукой вы делаете, тем чаще происходят колебания и тем сильнее верёвка ударит по тому, кто захочет вмешаться в этот интересный процесс.