Rīga: +12.3°С
Viduslaiku sapnis satiek moderno fiziku: svina pārvēršana zeltā Lielajā hadronu pretkollīderī
Viduslaiku alķīmiķu gadsimtiem senais sapnis par svina pārvēršanu zeltā vienmēr šķitis kā fantastisks stāsts no senatnes putekļainajiem pergamentiem. Tomēr tagad, 21. gadsimtā, pateicoties moderno fiziķu apbrīnojamajām spējām un sarežģītajām tehnoloģijām, šis sapnis ir daļēji piepildījies, lai gan veidā, kādu senie mistiķi, iespējams, pat nespētu iedomāties. Zinātniekiem Eiropas Kodolpētījumu organizācijas (CERN) Lielajā hadronu pretkollīderī (LHC) ir izdevies īstenot šo šķietami neiespējamo pārvērtību – svinu uz īsu mirkli pārvērst zeltā.
Kodolpārvērtības maģija: kā svins kļūst par zeltu (uz mirkli)
Galvenā atšķirība starp svinu un zeltu slēpjas to atomu kodolos esošajā protonu skaitā. Svina atomam ir 82 protoni, savukārt zeltam – 79. Lai svinu pārvērstu zeltā, ir nepieciešams samazināt protonu skaitu kodolā par trim. Alķīmiķi mēģināja to panākt ar ķīmiskām metodēm, taču vēlāk atklājās, ka ķīmiskie procesi ietekmē tikai atomu elektronu apvalkus, nevis kodolu. Kodolpārvērtība jeb transmutācija ir process, kas maina tieši atoma kodola sastāvu.
CERN zinātnieki ALICE eksperimentā (A Large Ion Collider Experiment) panākuši svina pārvēršanu zeltā pavisam jaunā veidā – nevis tiešās kodolu sadursmēs, bet gan to "gandrīz sadursmēs" (near-miss collisions) jeb ultraperifērās sadursmēs. LHC paātrina svina atomu kodolus līdz neticamiem ātrumiem, kas ir gandrīz gaismas ātrums (99.999993% no gaismas ātruma). Kad divi svina kodoli traucas garām viens otram, tie nesaduras tieši, bet to spēcīgie elektromagnētiskie lauki mijiedarbojas. Svina kodolam ir īpaši spēcīgs elektromagnētiskais lauks, jo tajā ir 82 pozitīvi lādēti protoni. Šie intensīvie lauki, kas saspiesti plānā "pankūkā" kodolu kustības virzienam perpendikulāri, rada īslaicīgus fotonu impulsus.
Šie fotoni var izraisīt elektromagnētisko disociāciju, kurā fotons, mijiedarbojoties ar kodolu, var ierosināt tā iekšējās struktūras svārstības, kā rezultātā tiek izmesti neliels skaits neitronu un protonu. Raros gadījumos šīs mijiedarbības rezultātā no svina kodola (82 protoni) tiek izsisti tieši trīs protoni, tādējādi pārvēršot to zelta kodolā (79 protoni).
Tikai zelta putekļi: daudzums un ilgmūžība
Pirms sākam sapņot par zelta plūdiem tirgū un rotaslietu cenu krišanos, ir svarīgi saprast šīs "modernās alķīmijas" mērogu un dabu. Zelta atomi, kas rodas šajā procesā, pastāv ārkārtīgi īsu brīdi, tikai sekundes daļu, pirms tie saduras ar LHC caurulēm vai kolimatoriem un sadalās mazākās daļiņās.
Lai gan skaitliski šķiet iespaidīgi – ALICE eksperimentā no 2015. līdz 2018. gadam (Run 2) tika radīti aptuveni 86 miljardi zelta kodolu četros galvenajos eksperimentos –, masas ziņā tas ir neticami maz. Šis apjoms atbilst niecīgiem 29 pikogramiem (2.9 x 10-11 grami). Lai sniegtu salīdzinājumu, tas ir apmēram tik, cik gada laikā nosēžas putekļi uz darba galda. Lai arī LHC darbības trešajā ciklā (Run 3) iegūtais zelta daudzums ir gandrīz dubultojies salīdzinājumā ar Run 2, tas joprojām ir triljoniem reižu mazāks nekā nepieciešams jebkādai praktiskai izmantošanai.
Zinātnes triumfs, nevis ekonomiskā revolūcija
Šis zinātnieku sasniegums ir izcils fizikas triumfs, kas sniedz jaunu ieskatu matērijas fundamentālajos procesos un kodolu mijiedarbībā ekstremālos apstākļos. Tas paplašina mūsu izpratni par kodoltransmutāciju un elektromagnētisko lauku ietekmi uz atomu kodoliem.
Tomēr ir kristālskaidrs, ka šī metode nekādā veidā neietekmēs zelta cenu pasaules tirgū. Enerģijas un resursu izmaksas, kas nepieciešamas, lai darbinātu LHC un radītu šo niecīgo zelta daudzumu, ir astronomiski augstas, neskaitāmas reizes pārsniedzot iegūtā zelta vērtību. Tiek lēsts, ka šādi iegūta zelta cena varētu būt triljons reižu augstāka par dabiskā zelta tirgus cenu. Tāpēc rotaslietas no LHC ražotā zelta vēl ilgi nemaksās kapeikas; drīzāk pretēji – šāda veida zelta ražošana ir šobrīd dārgākais process pasaulē.
Interesanti, ka zinātniekiem LHC kontekstā šī svina pārvēršana zeltā ir drīzāk neliela blakusparādība jeb "apgrūtinājums", kas ietekmē daļiņu kūļa stabilitāti un prasa papildu uzmanību eksperimentu analīzē.
No alķīmijas mistērijas līdz kvantu fizikas brīnumam
Senie alķīmiķi, meklējot Filozofu akmeni un sapņojot par zelta radīšanu, nesaprata atomu struktūras un kodolspēku dziļumus. Viņu centieni bija balstīti uz tā laika izpratni par matēriju, kas bieži robežojās ar mistiku. Mūsdienu fizika, izmantojot milzīgus paātrinātājus un sarežģītus detektorus, ir atklājusi pavisam citu realitāti – pasauli, kurā elementi patiešām var pārvērsties viens otrā, taču tikai ar milzīgu enerģijas ieguldījumu un saskaņā ar kodolfizikas likumiem.
Šis CERN sasniegums ir spilgts atgādinājums par to, cik tālu zinātne ir pavirzījusies pēdējo gadsimtu laikā. Tas, kas reiz bija nepiepildāms sapnis, tagad ir kļuvis par laboratorijas realitāti, lai arī tikai mikroskopiskā mērogā un uz mirkli. Tā ir liecība cilvēka zinātkārei un spējai atšķetināt Visuma noslēpumus, pat ja šie atklājumi nenoved pie tūlītēja materiāla ieguvuma. Patiesais zelts šajā gadījumā ir iegūtās zināšanas – dārgums, kas nenovērtējams ar naudu un paver durvis jauniem, vēl neiedomājamiem atklājumiem nākotnē.
Sekojiet mums līdzi: