home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1993 / TIME Almanac 1993.iso / time / 051490 / 0514990.000 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-28  |  7.8 KB  |  160 lines

  1.                                                                                 SPECIAL BOOK EXCERPT, Page 64Why He Ranks as a World-Class Scientist
  2.  
  3.  
  4. By DENNIS OVERBYE
  5.  
  6. [Dennis Overbye is the author of Lonely Hearts of the Cosmos, to
  7. be published this winter by Harper & Row.]
  8.  
  9.  
  10.     Andrei Sakharov's greatest achievements lie buried in
  11. missile silos and the bays of Backfire bombers. But enough of
  12. his other research slipped past the walls of national security
  13. to suggest that he was a great physicist as well as a great
  14. man.
  15.  
  16.     Some of his work at the Installation concerned tapping the
  17. same terrible energy source that powers the hydrogen bomb --
  18. thermonuclear fusion -- to provide an inexhaustible source of
  19. peaceful energy. Ordinary nuclear reactions produce energy from
  20. the splitting of atoms. In a thermonuclear reactor, the energy
  21. would come, as it does in the sun, from the fusing of hydrogen
  22. nuclei to form helium. Getting atoms to fuse, however, is much
  23. harder than getting them to split. To overcome the
  24. electrostatic repulsion between positively charged nuclei and
  25. bring them close enough to fuse, the hydrogen has to be
  26. squeezed to high densities and a temperature many times that
  27. at the center of the sun -- about 100 million degrees. In bombs
  28. this trick is accomplished by setting off a nuclear explosion
  29. around a core of deuterium and tritium (heavy isotopes of
  30. hydrogen). That would not work very well in a reactor; what was
  31. needed was a "bottle" that could hold a 100-million-degree gas.
  32.  
  33.  
  34.     In 1951 Sakharov and his mentor Igor Tamm proposed that a
  35. magnetic field could serve as the bottle. At the high
  36. temperatures required for fusion, atoms are stripped of their
  37. electrons, resulting in a gaseous mixture of charged particles
  38. known as a plasma. Since a magnetic field can bend the paths
  39. of charged particles, a properly designed field could force the
  40. hot plasma particles to travel around in a circle, never
  41. hitting the sides of the container. His idea became the basis
  42. for tokamaks, the doughnut-shaped magnetic chambers that most
  43. researchers believe are the best hope for fusion-power sources.
  44. Ten years later, Sakharov thought of blasting a small pellet
  45. of deuterium and tritium on all sides with a powerful laser
  46. beam to generate fusion. Today multibeam laser systems capable
  47. of delivering tens of trillions of watts are racing their
  48. tokamak cousins to achieve sustainable fusion reactions.
  49.  
  50.     As Sakharov's bomb work was winding down, he followed his
  51. friend Yakov Zeldovich into cosmology, and it was here that he
  52. made his other great mark. Sakharov's reputation would be
  53. secure if he had published only a single prophetic paper, which
  54. appeared in 1967. It addressed the question, Why is there
  55. matter in the universe?
  56.  
  57.     By then cosmologists were beginning to accept seriously the
  58. notion that the universe had come into being as an infinitely
  59. hot and dense burst of energy known as the Big Bang. According
  60. to the laws of relativity and quantum mechanics, elementary
  61. particles of matter, such as quarks and electrons, could
  62. spontaneously appear in such an intense energy field.
  63.  
  64.     But there was a hitch. For each type of elementary particle
  65. in nature there is an antimatter twin with identical mass but
  66. with opposite charge and spin. In a particle accelerator or any
  67. other arena, man-made or God-made, in which energy is
  68. transformed into matter, particles were created only in such
  69. matched pairs -- a quark and an antiquark, say, or an electron
  70. and a positron. Their properties are precisely balanced so that
  71. they cancel each other and leave nature's balance sheet
  72. unviolated. This creation process is offset by destruction;
  73. when particle and antiparticle meet, they annihilate each other
  74. in a flash of radiation and revert back to energy.
  75.  
  76.     According to the most elegant theories, therefore, the Big
  77. Bang should have produced equal amounts of matter and
  78. antimatter. The primordial fireball would have been a dense
  79. roiling stew of radiation and elementary particles condensing
  80. out of the ambient energy, annihilating each other,
  81. recondensing, then colliding and disappearing all over again.
  82. As the universe expanded and cooled, it would stop producing
  83. particles, and the remaining matter and antimatter would kill
  84. each other off. The present-day universe should be empty.
  85.  
  86.     Yet the earth, the Milky Way galaxy and, as far as
  87. astronomers can tell, the rest of the visible universe are all
  88. made of matter. And except for the stray sparks created by
  89. cosmic rays and high-energy physics experiments, no antimatter
  90. is anywhere in sight. Where is it?
  91.  
  92.     Through the '60s this question gnawed at cosmologists. Some
  93. speculated that matter and antimatter had separated into
  94. different realms, but nobody could think of a realistic sorting
  95. mechanism. Others briefly considered the possibility that the
  96. universe had been born "cold" with a seed stock of matter in
  97. the form of hydrogen atoms.
  98.  
  99.     In his historic paper, Sakharov in effect turned the problem
  100. around. If the universe had started, as theory held, with equal
  101. quantities of matter and antimatter, what would be required to
  102. tilt the balance over time so that only matter existed today?
  103. This could happen, Sakharov said, if two conditions were met.
  104.  
  105.     First there had to be forces or processes operating at the
  106. extreme high energies of the early universe that could create
  107. matter or antimatter independently of each other, violating
  108. what had been presumed to be an ironclad law known as the
  109. conservation of baryon number, the hypothetical marker that
  110. distinguished matter from antimatter. The second condition was
  111. that particles and antiparticles form and decay at slightly
  112. different rates, an effect that had actually been recently
  113. observed in the decay of a strange particle called the K-meson.
  114.  
  115.     Sakharov showed that these two effects, along with the
  116. expansion and cooling of the universe, would combine in an
  117. intricate chain of reactions slightly favoring the production
  118. of matter and leading to a minuscule excess of matter. Only
  119. about one quark out of every billion that existed during the
  120. Big Bang would escape annihilation and survive to form the
  121. modern universe, but that was enough. From this trace of what
  122. had once existed would spring all the crystalline shapes and
  123. blazing stars and chains of galaxies.
  124.  
  125.     Sakharov's paper was a prescription for the formation of
  126. matter and also for the future direction of physics. At the
  127. time he wrote, no force that would create matter or antimatter
  128. independently of each other was known or contemplated. In the
  129. 1970s, when physicists started trying to construct the
  130. so-called Grand Unified Theories (GUTs) that united the
  131. electromagnetic, weak and strong nuclear interactions, the
  132. force that Sakharov had prophesied was a natural feature. By
  133. the end of the '70s, teams of physicists around the world were
  134. essentially retracing Sakharov's calculations in the light of
  135. more detailed theories in an attempt to explain the existence
  136. of matter.
  137.  
  138.     Another prediction of these GUTs was that protons, the
  139. presumed building blocks of ordinary matter, were unstable and
  140. should radioactively decay in about 10 30 (ten to the
  141. thirtyith) years -- a span almost unimaginably longer than the
  142. 15 billion years or so since the Big Bang -- finally redressing
  143. the imbalance that had been created so long ago. In the long
  144. run (if the universe lasted) matter would prove to be only a
  145. passing thought in the long history of time. So far there is
  146. no experimental evidence of proton decay. The case for grand
  147. unified theories so far rests with the universe, with evidence
  148. under our fingernails, and with the work Sakharov started 24
  149. years ago. In cosmology, as in nuclear fusion, human rights and
  150. so many other fields, the world is still playing catch-up to
  151. him.
  152.  
  153.  
  154.  
  155.  
  156.  
  157.  
  158.  
  159.  
  160.