Фотоядерные реакции неудовлетворительно объясняют огромное количество свободных нейтронов, которое зарегистрировано в ходе наблюдений за разрядами молний, проведённых учёными из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и ряда других российских НИИ. По всей видимости, существует какой-то иной механизм выделения нейтронов под действием обычной молнии, но мы его пока не представляем.

Молнии, оказывается, порождают миллионы нейтронов в секунду. Но как? (Фото Image Source / Corbis.)

С 1985 года российские исследователи регистрировали прямое воздействие молний на детекторы нейтронов. Два фактора помешали в своё время серьёзному рассмотрению этого явления. С одной стороны, имевшиеся тогда нейтронные детекторы не позволяли точно определить количество образующихся при разрядах молнии нейтронов, с другой — это наблюдение, как и все радикально новые действия в науке, прошло через кризис доверия со стороны научной общественности. Первое возражение, отметающее значимость явления, звучало так: каналы молний просто служили «водостоками» для мюонов космических лучей — а значит, сами молнии никакого отношения к генерации нейтронов не имели.

Второе «нет» основывалось на том, что никакие явления, кроме фотоядерных реакций, не могли вызвать наблюдаемый эффект, а фотоядерные реакции — дело давно известное и никакого особенного интереса не представляющее. Сценарий стар: либо Шлиман ищет Трою, существующую лишь в сказках Гомера, либо Греция времён Трои была кучкой деревень, где все ходили в шкурах, и Илион для науки никакого интереса не представляет.

Недавно проведённые наблюдения исследовательской группы (по итогам которых появилась эта статья) опровергают оба возражения и констатируют удивительный феномен, показывающий нам, что мы чего-то радикально недопонимаем либо в природе молний, либо в природе — страшно сказать — ядерных реакций.

Исследователи провели серию экспериментов, в ходе которых использовали три детектора нейтронов низких энергий: один — на поверхности, другой, частично экранированный, — в здании, а третий, сильно заэкранированный, — под землёй. К последнему в пару поставили ещё один детектор нейтронов высоких энергий. Наконец, велись измерения электрической активности молний, полыхавших снаружи.

В итоге было получено чёткое соответствие моментов разряда молний и регистрации больших групп нейтронов детекторами. При этом все зарегистрированные нейтроны были нейтронами низких энергий, а следовательно, не имели отношения к космическим лучам.

Количественные показатели нейтронных детекторов дали результаты, далеко превзошедшие ожидания учёных. 5 000 нейтронов на кубический метр в секунду, зафиксированные исследователями, никак не могут образовываться в ходе фотоядерных реакций, по крайней мере тех, о которых мы имеем представление. По сути, получается, что один разряд молнии создаёт миллионы нейтронов, что просто не вяжется с фотоядерными реакциями.

Фотоядерные реакции действительно могут воздействовать гамма-излучением на ядра атомов атмосферных газов и «выбивать» из них нейтроны. Вот только для генерации такого количества нейтронов пришлось бы иметь 10 000 000 гамма-квантов на тот же кубометр в секунду. Как отмечают исследователи, молнии могут произвести лишь крохотную часть от этого количества — в тысячу раз меньше, чем нужно для 5 000 нейтронов на м-3с-1. От себя добавим, что это, возможно, и хорошо, иначе каждая гроза создавала бы в меру мощное гамма-излучение.

Что в сухом осадке? Есть всего два варианта: либо в молнии протекают сверхкороткие процессы неизвестного нам характера, которые создают интенсивное гамма-излучение, либо фотоядерные реакции идут совсем не так, как мы думаем. Есть и интрига: дело в том, что фотоядерные реакции с выбиванием нейтронов из атомов веществ с атомным весом ниже железа носят эндотермический характер. Для азота и кислорода — весьма эндотермический; энергии такими процессами должно поглощаться чрезвычайно много, чего на практике не происходит. Все исследования процесса молниеобразования не показывают такого существенного поглощения энергии, которое должно соответствовать столь интенсивной генерации нейтронов. Следовательно, энергия откуда-то должна браться в приличных количествах.

Напомним: ещё Вильсон в 1924 году выдвинул предположение о том, что в канале молнии могут образоваться условия, достаточные для начала термоядерной реакции с участием обычного дейтерия, содержащегося в парах воды. Такая реакция идёт с образованием только He3 и нейтрона — следовательно, обнаружить её иначе как детекторами нейтронов весьма нелегко; тот же гелий-3 может участвовать в дальнейших реакциях, и его следов потом уже не найти. Учитывая, что каждый из 6 500 атомов водорода в воде является атомом дейтерия, это могло бы объяснить характер явления. Впрочем, это стало бы и существенным подкопом под господствующие представления об энергиях, необходимых для начала термоядерной реакции, — ведь энергии молнии значительно меньше тех, которыми располагают экспериментальные установки термоядерного синтеза. Поэтому длительное время подобные идеи встречались весьма сдержанно (такова и наша позиция). Надеемся, что дальнейший поиск теоретических моделей физическим сообществом сможет прояснить этот вопрос, чрезвычайно интересный как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Подготовлено по материалам Ars Technica и Physical Review Letters .