Учёные из Уорвикского и Оксфордского университетов (оба — Великобритания) впервые смогли исследовать обмен энергией электронов и ионов в нагреваемых совершенно новым методом до высоких температур образцах графита. 

При этом был выявлен столь медленный и слабый обмен, из которого следует, что современные представления о нагревании в самых разных областях опирались на неверное основание и должны быть пересмотрены.

Обычно нагрев и передачу тепла внутри тела рассматривают теоретически, опираясь на ту скорость теплопередачи, которую мы наблюдаем при сравнительно невысоких температурах. Попытки экспериментально проверить эти выкладки упираются в практические трудности. Чтобы избежать их, британцы применили принципиально новый метод нагрева — бомбардировку образца протонами, предварительно разогнанными при помощи лазера.

Графит нагревался сверхкоротким пучками протонов, однако сходные условия экстремального нагрева характерны и для множества звёзд и планет Вселенной. (Иллюстрации M. Garlick / University of Warwick.)

Одновременно нагреваемый образец подвергался рентгеноскопии, что позволило выяснить потрясающий факт: теоретические модели распространения тепла в плотной материи не просто ошибочны, а никак не коррелируют с реальностью уже тогда, когда электроны в веществе соответствуют 17 000 К. Ионы при этом некоторое время продолжали оставаться нагретыми всего до 300 К, то есть до комнатной температуры. Разумеется, позднее неравномерность выравнивалась, ведь ионы всё же взаимодействуют с электронами и энергия последних передаётся им со временем — но намного медленнее, чем сулили даже самые пессимистически теоретические модели. Иными словами, процесс нагрева тела, который теоретически должен быть молниеносным, имеет некое «бутылочное горлышко», которое при быстром росте температур не позволяет столь же быстро нагревать вещество традиционными методами, отмечают авторы работы.

Эксперимент интересовал авторов с точки зрения инерциального термоядерного синтеза (при помощи лазерного обстрела вкладышей с топливом). И из него, между прочим, вытекает, что эффективный нагрев лазерными импульсами вещества вкладышей, похоже, вообще невозможен, ибо на его пути стоит пока неизвестный барьер, не менее прочный, чем предел Гринвальда для токамаков. Ведь нагрев плазмы при инерциальном синтезе, по сути, ведётся электронами, а в слиянии ядер могут участвовать только ионы, лишённые электронов. Ионы же, получается, молниеносно нагреть коротким, но мощным импульсом невозможно.

Инерциальный синтез, оказывается, имеет не менее шаткое теоретическое основание, чем токамаки. (Иллюстрация Lawrence Livermore National Laboratory.)