Wdrożenia XXI wieku

img

Prócz trzech omówionych trzy następne dziedziny fizyki będą miały w przyszłości ogromne znaczenie, lecz nie ze względów poznawczych, a raczej ze względu na prawdopodobne praktyczne wdrożenia ich osiągnięć w technice XXI stulecia. Są to: fizyka jądrowa, fizyka ciała stałego, fizyka plazmy.

Wielkie znaczenie praktyczne fizyki jądrowej – zarówno w sensie negatywnym, jak i pozytywnym – jest już dziś oczywiste i powszechnie znane. Miejmy jednak nadzieję, że nie dojdzie nigdy do użycia bomb atomowych – a szczególnie bomb wodorowych – do celów niszczycielskich. Ufajmy, że energia jądrowa znajdzie tylko pokojowe zastosowanie. Elektrownie i ciepłownie jądrowe oparte na reakcjach podziału jąder uranowców stają się coraz bardziej opłacalne. Dotyczy to szczególnie sytuacji, kiedy transport dużych ilości konwencjonalnego paliwa (węgla, ropy) jest utrudniony i czyni je nieopłacalnymi w porównaniu z kosztami dostawy energetycznie równoważnych ilości uranu.

Siłownie jądrowe będą więc z pewnością odgrywały coraz większą rolę cywilizacyjną na pustynnych dziś obszarach zimna lub suszy. Można je np. zaprząc do odsalania na dużą skalę wody morskiej i przepompowywania jej do okolic, które cierpią na niedostatek wody. Siłownie jądrowe będą odgrywały też coraz większą rolę w transporcie wodnym, lądowym i w podboju kosmosu.

Inna, obszerna i bardzo ważna dziedzina zastosowań fizyki jądrowej to upowszechnienie rozlicznych metod jądrowych w biologii, medycynie, rolnictwie, chemii i całej technice. Same izotopy promieniotwórcze stwarzają niezliczone możliwości zastosowań do celów badawczych i produkcyjnych.

Pokojowe wykorzystanie energii termojądrowej, a więc energii wydzielającej się np. w procesach łączenia (fuzji) jąder ciężkiego wodoru w jądra helu, wiąże się ściśle z przyszłym rozwojem fizyki plazmy. Plazmą nazywamy gaz złożony – przynajmniej częściowo – ze zjonizowanych atomów i elektronów oraz innych cząstek elementarnych. Materia występuje w stanie plazmy zarówno w jonosferze Ziemi, jak we wnętrzu gwiazd. Gęstości, ciśnienia i temperatury plazmy, tudzież jej skład, mogą leżeć w bardzo szerokich granicach. W zależności od wartości tych podstawowych parametrów fizycznych – plazma może mieć bardzo różnorodne własności. Jednym z głównych kierunków eksperymentalnej fizyki plazmy jest dążenie do wytworzenia warunków umożliwiających zachodzenie kontrolowanej (a nie wybuchowej) reakcji fuzji. Potrzebne do tego gęstości cząstek i temperatury rzędu stu milionów stopni stwarzają wiele poważnych problemów naukowych i technicznych. Najważniejsze z nich to problem ogrzania plazmy do tak wysokich temperatur i utrzymania jej przez odpowiednio długi czas w zamkniętym obszarze. Nie możemy zamknąć plazmy w żadnym „normalnym” naczyniu, ponieważ jego ścianki ulegną natychmiastowemu wyparowaniu przy znacznie niższych temperaturach. Przez krótki czas można zapobiec szybkiemu rozpływaniu się plazmy, umieszczając ją w odpowiednio uformowanym polu elektromagnetycznym. Problemy te są jeszcze dalekie od zadowalającego rozwiązania.

Oprócz ścisłego związku z perspektywami pokojowego wykorzystania energii wydzielanej w reakcjach fuzji fizyka plazmy jest również niezmiernie interesująca dla teoretycznego wyjaśnienia procesów zachodzących w jonosferze, na powierzchni i we wnętrzu Słońca i innych gwiazd oraz przestrzeni międzygwiezdnej.

Z bardziej „przyziemnych” perspektyw warto wymienić możliwości znacznego udoskonalenia przy użyciu plazmy procesu konwersji energii termicznej w elektryczną i osiągnięcie znacznie wyższych wskaźników sprawności niż przy zastosowaniu innych metod. Można się też spodziewać licznych innych zastosowań fizyki plazmy w chemii i w technice.

Fascynujące perspektywy zastosowań praktycznych ma fizyka ciał stałych (dielektryków, półprzewodników, metali, nadprzewodników, różnych materiałów magnetycznych itd.). Ogromna liczba pierwiastków, związków chemicznych, stopów i mieszanin stwarza wielkie możliwości odkrycia jeszcze wielu nowych efektów, które mogą dokonać jeszcze niejednego technicznego przewrotu. Ponieważ chodzi tu o zjawiska wywołane wyłącznie przez oddziaływania elektromagnetyczne, zainteresowana jest nimi głównie elektronika. Do niedawna wykorzystywaliśmy w technice tylko klasyczne efekty elektromagnetyczne oparte na teorii Maxwella. Ostatnio coraz częściej technika wykorzystuje różne efekty kwantowe, do których opisania i zrozumienia konieczna jest teoria kwantowa. Spodziewamy się w XXI wieku coraz szerszego praktycznego wykorzystania efektów kwantowych występujących w ciałach stałych. Nowoczesna elektronika staje się coraz bardziej elektroniką kwantową.

Jednakże ani w fizyce ciała stałego, ani w fizyce plazmy czy nawet w fizyce jądrowej nie należy spodziewać się odkrycia zupełnie nie znanych nowych podstawowych praw ani powstania teorii zmieniających w zasadniczy sposób nasze dotychczasowe koncepcje. Szukać ich należy w trzech pierwszych dziedzinach, a ich osiągnięcia zaskoczą nas w XXI wieku lub nawet wcześniej niespodziewanymi dziś konsekwencjami. Niespodzianek praktycznych i nowych technologii szukać jednak należy raczej w dziedzinach lepiej dotychczas poznanych.

Comments are closed.