Звездата на смъртта е колосално оръжие с размерите на добра луна. Стреляйки с упор в беззащитната планета Алдераан, родината на принцеса Лея, Звездата на смъртта я унищожава напълно. Планетата изчезва в пламъците на титанична експлозия, разпръсквайки отломки из Слънчевата система. Милиард души едновременно крещят в агония, предизвиквайки възмущение в Силата, което се усеща навсякъде в галактиката.
Но наистина ли е възможно оръжие като „Звездата на смъртта“от филма „Междузвездни войни“? Възможно ли е да се организира и насочи батерия от лазерни оръдия, така че цяла планета да се изпари в резултат? Какво ще кажете за прочутите светлинни мечове, с които разполагаха Люк Скайуокър и Дарт Вейдър, които са лъч светлина, но могат лесно да прорежат бронирана стомана? Дали лъчевите пушки, подобно на фазерите в Star Trek, ще се превърнат в правилното оръжие за бъдещите поколения правоохранителни органи и войници?
Новите, оригинални и изумителни специални ефекти на Междузвездни войни направиха завладяващо впечатление на милиони зрители, но критиците бяха на друго мнение. Някои от тях твърдяха, че да, разбира се, режисьорите искрено се опитаха да забавляват зрителя, но всъщност такива неща са напълно невъзможни. Критиците никога не се уморяват да повтарят като заклинание: лъчеви оръдия с размерите на луната, способни да взривят цяла планета на малки парчета, е нещо нечувано; мечове от внезапно втвърдяващ се светлинен лъч също са невъзможни. Всичко това е твърде много дори за далечна, далечна галактика. Този път Джордж Лукас, аплодираният майстор на специалните ефекти, се плъзна малко.
Може да е трудно да се повярва, но неограничено количество енергия може да бъде „натъпкано“в светлинен лъч; няма физически ограничения. Създаването на Звезда на смъртта или светлинен меч не противоречи на никакви закони на физиката. Нещо повече, лъчи от гама-лъчение, способни да взривят планетата, всъщност съществуват в природата. Титаничен изблик на радиация, генериран от далечен мистериозен източник на гама-лъчи, може да създаде експлозия в дълбокия космос, на второ място по мощност след самия Голям взрив. Всяка планета, която успее да бъде в полезрението на такъв „пистолет“, всъщност ще бъде изпържена или разкъсана на парчета.
Лъчеви оръжия в историята
Мечтата за използване на лъчевата енергия изобщо не е нова; корените му се връщат към древната религия и митология. Гръцкият бог Зевс е известен със стрелбата на мъртви с мълния. Северният бог Тор владеел магически чук, Мелнир, способен да хвърля мълния, а индуският бог Индра изстрелял енергиен лъч от магическо копие.
Идеята за лъча като истинско практично оръжие се появява за първи път в трудовете на великия гръцки математик Архимед, може би най-великият учен в древността, който успява да разработи своя собствена версия на примитивно диференциално смятане две хиляди години преди Нютон и Лайбниц. Смята се, че в легендарната битка от 214 г. пр. Н. Е. срещу войските на римския пълководец Марцел по време на Втората пуническа война, Архимед, помагайки за защитата на царството на Сиракузите, изгражда голяма батерия от слънчеви отражатели, фокусира слънчевите лъчи върху платната на вражеските кораби и по този начин ги запалва. (Учените все още обсъждат дали такова лъчево оръжие действително може да работи; няколко групи учени са се опитали, с различни резултати, да повторят това постижение.)
Промоционално видео:
Оръжията с лъчи попаднаха на страниците на научната фантастика през 1889 г. с класическата война на световете на Х. Г. Уелс. В този роман извънземни от Марс унищожават цели градове, насочвайки към тях лъчи топлинна енергия от оръдия, монтирани на триножниците им. По време на Втората световна война нацистите, винаги готови да изследват и възприемат най-новите технологични постижения, за да ги използват, за да завладеят света, също експериментираха с различни видове лъчеви пистолети, включително акустични устройства, които фокусираха мощни звукови лъчи с помощта на параболични огледала.
Оръжието, което е фокусиран лъч светлина, завладя въображението на обществеността след излизането на филма за Джеймс Бонд Goldfinger; това беше първият холивудски филм с лазер. (В него легендарният британски шпионин беше вързан за метална маса и мощен лазерен лъч бавно се приближаваше към него, постепенно разтопявайки масата между краката му и заплашвайки да разсече героя наполовина.)
Първоначално физиците се смееха само на идеята за лъчеви пистолети, изразена в романа на Уелс, тъй като такива оръжия нарушават известните закони на оптиката. Според уравненията на Максуел светлината, която виждаме около нас, е некохерентна (т.е. тя е бъркотия от вълни с различни честоти и фази) и бързо се разсейва. Някога се е смятало, че кохерентен, фокусиран, еднороден лъч светлина - като лазерен лъч - е невъзможно да се постигне.
Квантова революция
Всичко се промени след появата на квантовата теория. Още в началото на ХХ век. стана ясно, че въпреки че законите на Нютон и уравненията на Максуел много успешно описват движението на планетите и поведението на светлината, има цял клас явления, които те не могат да обяснят. За съжаление, те не казаха нищо за това защо материалите провеждат електричество, защо металите се топят при определени температури, защо газовете излъчват светлина при нагряване, защо някои вещества стават свръхпроводими при ниски температури. За да отговорите на който и да е от тези въпроси, трябва да разберете вътрешната динамика на атомите. Революцията е узряла. Нютоновата физика, след 250 години господство, очаква своето сваляне; в същото време крахът на стария идол трябваше да предвещава началото на трудовите болки на новата физика.
През 1900 г. Макс Планк в Германия предполага, че енергията не е непрекъсната, както вярва Нютон, а съществува под формата на малки дискретни „порции“, наречени „кванти“. След това, през 1905 г., Айнщайн постулира, че светлината също се състои от тези малки дискретни пакети (или кванти), наречени по-късно фотони. С тази проста, но мощна идея Айнщайн успя да обясни фотоелектрическия ефект, а именно защо металите, облъчени със светлина, излъчват електрони. Днес фотоелектричният ефект и фотонът са в основата на телевизията, лазерите, слънчевите панели и голяма част от съвременната електроника. (Теорията на Айнщайн за фотона беше толкова революционна, че дори Макс Планк, който обикновено горещо подкрепяше Айнщайн, в началото не можеше да повярва в него. Планк пише за Айнщайн: „Фактътче понякога пропуска … както например е направил с хипотезата за светлинните кванти, не може, при цялата съвест, да го обвиняваме. )
Тогава през 1913 г. датският физик Нилс Бор ни даде напълно нова картина на атома; Атомът на Бор приличаше на миниатюрна слънчева система. Но за разлика от реалната Слънчева система, електроните в атома могат да се движат около ядрото само в рамките на дискретни орбити или черупки. Когато електрон „прескача“от една черупка в друга, която е по-близо до ядрото и има по-малко енергия, той излъчва фотон енергия. И обратно, когато електрон поглъща фотон с определена енергия, той „скача“по-високо, до черупка, която е по-далеч от ядрото и има повече енергия.
През 1925 г. с появата на квантовата механика и революционната работа на Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг и много други се ражда почти пълна теория за атома. Според квантовата теория електронът е частица, но притежава и свързана вълна, която му придава както свойствата на частица, така и вълна. Тази вълна се подчинява на така нареченото уравнение на вълната на Шрьодингер, което дава възможност да се изчислят свойствата на атома, включително всички „скокове“на електрони, постулирани от Бор.
До 1925 г. атомите се смятаха за мистериозни обекти; мнозина, като философа Ернст Мах, изобщо не вярваха в тяхното съществуване. След 1925 г. човекът има възможност не само да се вгледа дълбоко в динамиката на атома, но и да предскаже неговите свойства доста надеждно. Изненадващо, това означаваше, че с достатъчно мощен компютър под ръка човек може да изведе свойствата на химичните елементи директно от законите на квантовата теория. Точно както Нютоновата физика, с достатъчно голяма изчислителна машина, би позволила на учените да изчислят движението на всички небесни тела във Вселената, квантовата физика, според учените, позволява по принцип да се изчислят всички свойства на химичните елементи на Вселената без изключение. Освен това, разполагайки с достатъчно мощен компютър,може да се състави пълната вълнова функция на човешко същество.
Мазери и лазери
През 1953 г. професор Чарлз Таунс от Калифорнийския университет в Бъркли, заедно с колегите си, успява да получи първия лъч кохерентна радиация, а именно микровълните. Устройството е наречено мазер (мазер - след първите букви от думите на фразата „микровълново усилване чрез стимулирано излъчване на радиация“, т.е. „усилване на микровълни чрез стимулиране на радиацията.“) По-късно, през 1964 г., Таунс, заедно с руските физици Николай Басов и Александър Прохоров получи Нобелова награда. Скоро резултатите на учените бяха разширени до видима светлина. Лазерът се роди. (Фазерът, от друга страна, е фантастично устройство, станало известно от Star Trek.)
Основата на лазера е специална среда, която всъщност ще предава лазерния лъч; това може да бъде специален газ, кристал или диод. След това трябва да изпомпвате енергия в тази среда отвън - използвайки електричество, радиовълни, светлина или химическа реакция. Неочакваният приток на енергия възбужда атомите в средата, карайки електроните да абсорбират енергия и да скачат върху външните електронни обвивки с по-висока енергия.
В такова възбудено, изпомпвано състояние средата става нестабилна. Ако след това през него се насочи лъч светлина, тогава фотоните на лъча, сблъсквайки се с атомите, ще предизвикат внезапно изхвърляне на електрони към по-ниски орбити и освобождаване на допълнителни фотони. Тези фотони от своя страна ще доведат до още повече електрони, които излъчват фотони - и скоро верижната реакция на атомите ще се „срине“до невъзбудено състояние с почти едновременното освобождаване на огромно количество фотони - трилиони и трилиони от тях - всички в един и същ лъч. Основната характеристика на този процес е, че в някои вещества, с лавиноподобно освобождаване, всички фотони вибрират в унисон, тоест те са кохерентни.
(Представете си домино, наредени в ред. В състояние на най-ниска енергия, всяка кокалче лежи плоско на масата. Във високоенергийно, напомпано състояние кокалчетата стоят изправени, като напомпаните атоми на дадена среда. С натискането на едната кокалче можете да предизвикате внезапно едновременно освобождаване на цялата тази енергия, точно като същото както се случва, когато се роди лазерният лъч.)
Само няколко материала могат да работят в лазер; това означава, че само в специални вещества, когато фотон се сблъска с възбуден атом, се излъчва фотон, който е кохерентен на първия. Това свойство на материята води до факта, че всички фотони в възникващия поток вибрират в унисон, създавайки тънък лазерен лъч. (Противно на популярната легенда, лазерният лъч не винаги остава толкова тънък, колкото в самото начало. Например, лазерен лъч, изстрелян в Луната, постепенно ще се разширява по пътя и ще даде място с размер няколко километра на повърхността на Луната.)
Обикновеният газов лазер е тръба, пълна със смес от хелий и неон. Когато електричеството преминава през тръбата, атомите абсорбират енергия и се възбуждат. Тогава, ако има внезапно освобождаване на цялата енергия, съхранявана в газа, се ражда лъч кохерентна светлина. Този лъч се усилва от две огледала, монтирани в двата края на тръбата, така че лъчът се отразява от тях на свой ред и се втурва по тръбата от едната към другата страна. Едното огледало е напълно непрозрачно, но другото пропуска малка част от падащата светлина върху него, като по този начин пуска лъча навън.
Днес лазерите могат да бъдат намерени навсякъде - в касата на хранителния магазин, в оптичния кабел, който ви дава достъп до интернет, в лазерен принтер или CD плейър и в модерен компютър. Лазерите се използват в очна хирургия, премахване на татуировки и дори в салони за красота. През 2004 г. лазерите бяха продадени в целия свят за повече от 5,4 милиарда долара.
Видове лазери и техните характеристики
Нови лазери се откриват почти всеки ден; като правило говорим за откриване на ново вещество, което може да работи в лазер, или изобретяване на нов метод за изпомпване на енергия в работната течност.
Въпросът е дали тези технологии подходящи ли са за направата на лъчеви пистолети или светлинни мечове? Можете ли да създадете лазер, достатъчно голям, за да захрани Звездата на смъртта? Днес има зашеметяващо разнообразие от лазери, които могат да бъдат класифицирани според материала на работната течност и начина, по който се изпомпва енергията (това може да бъде електричество, мощен светлинен лъч, дори химическа експлозия). Ние изброяваме няколко вида лазери.
• Газови лазери. Тази категория включва и изключително разпространените хелий-неонови лазери, които произвеждат много познат червен лъч. Те се изпомпват с радиовълни или електричество. Хелий-неоновите лазери са с ниска мощност. Но газовите лазери с въглероден диоксид могат да се използват за взривни операции, за рязане и топене на метали в тежката промишленост; те са способни да дадат изключително мощен и напълно невидим лъч;
• Химически лазери. Тези мощни лазери се зареждат от химични реакции като изгарянето на етилен и азотен трифлуорид NF3. Тези лазери са достатъчно мощни, за да се използват във военната област. В Съединените щати химическият принцип на изпомпване се използва във въздушни и наземни бойни лазери, способни да доставят лъч мощност в милиони ватове и предназначени да свалят ракети с малък обсег в полет.
• Ексимерни лазери. Тези лазери също получават енергията си от химична реакция, която обикновено включва инертен газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и някакъв вид флуорид или хлорид. Те излъчват ултравиолетова светлина и могат да се използват в електронната индустрия за ецване на малки транзистори на полупроводникови чипове и в очната хирургия за деликатни операции на Lasik.
• Полупроводникови лазери. Диодите, които използваме толкова широко във всички видове електронни устройства, могат да произведат мощни лазерни лъчи, които се използват в индустрията за рязане и заваряване. Същите тези полупроводникови лазери работят и в касови апарати, като четат баркодове от избраните от вас продукти.
• Лазери за боядисване. Тези лазери използват органични багрила като работна среда. Те са изключително полезни при генерирането на ултракъси светлинни импулси, които често са от порядъка на една трилионна част от секундата.
Лазери и пистолети за лъчи?
Като се има предвид огромното разнообразие от търговски лазери и силата на военните лазери, е трудно да не се чудим защо нямаме лъчеви оръдия и оръдия, използваеми на бойното поле? В научнофантастичните филми лъчевите пистолети и пистолети от един или друг вид обикновено са най-често срещаните и познати оръжия. Защо не работим за създаването на такова оръжие?
Простият отговор на този въпрос е, че нямаме достатъчно преносими източници на енергия. Това не е дреболия. Оръжията за лъчи ще изискват миниатюрни батерии, с размер на длан, но съвпадащи с мощността на огромна електроцентрала. В момента единственият начин да се използва мощността на голяма електроцентрала е да се изгради такава. И най-малкото военно устройство, което може да служи като контейнер за такива енергии, е миниатюрна водородна бомба, която за съжаление може да унищожи не само целта, но и вас самите.
Съществува и втори проблем - стабилността на излъчващото вещество или работната течност. На теория няма ограничение за количеството енергия, което може да бъде изпомпвано в лазер. Но проблемът е, че работното тяло на ръчен лазерен пистолет би било нестабилно. Кристалните лазери например прегряват и се напукват, ако в тях се изпомпа твърде много енергия. Следователно, създаването на изключително мощен лазер - такъв, който може да изпари обект или неутрализира враг - може да изисква експлозивна енергия. В този случай, естествено, вече не може да се мисли за стабилността на работната течност, тъй като нашият лазер ще бъде за еднократна употреба.
Проблемите с развитието на преносими източници на енергия и стабилни излъчващи материали правят съществуването на лъчеви пистолети невъзможно с настоящото състояние на техниката. По принцип можете да създадете лъчеви пистолет само ако към него имате кабел от източник на захранване. Може би с използването на нанотехнологии, някой ден ще успеем да създадем миниатюрни батерии, които могат да съхраняват или генерират енергия, която би била достатъчна за създаване на мощни изблици - необходим атрибут на ръчните лазерни оръжия. В момента, както видяхме, нанотехнологиите са в зародиш. Да, учените са успели да създадат на атомно ниво някои устройства - много гениални, но напълно непрактични, като атомен абакус или атомна китара. Но може да се случи, че какво друго в това или, да речем,през следващия век нанотехнологиите наистина ще ни дадат миниатюрни батерии, за да съхраняваме страхотни количества енергия.
Светлинните мечове имат същия проблем. С излизането на „Междузвездни войни“през 1970 г. игралните светлинни мечове се превърнаха в моментален хит с момчета. Много критици смятат за свой дълг да изтъкнат, че в действителност подобни устройства са невъзможни. Първо, светлината не може да се втвърди. Светлината се движи със скоростта на светлината, така че е невъзможно да се втвърди. На второ място, лъч светлина не може рязко да бъде отрязан в космоса, както светлинните мечове правят в Междузвездни войни. Лъчът на светлината не може да бъде спрян, той винаги е в движение; истински световен меч би отишъл далеч в небето.
Всъщност има начин да се направи вид светлинен меч от плазма или прегрята йонизирана газ. Ако плазмата се нагрее достатъчно, тя ще свети в тъмното и ще реже стомана, между другото. Плазмен светлинен меч може да бъде тънка телескопична тръба, която се простира от дръжка.
Горещата плазма се освобождава в тръбата от дръжката, която след това излиза през малки отвори по цялата дължина на "острието". Плазмата се издига от дръжката по острието и навън в дълъг, светещ цилиндър от прегрял газ, достатъчно горещ, за да стопи стоманата. Такова устройство понякога се нарича плазмена горелка.
По този начин можем да създадем високоенергийно устройство, което прилича на светлинен меч. Но тук, както в случая с лъчевите оръжия, първо ще трябва да придобиете мощна преносима батерия. Така че или използвате нанотехнологии, за да създадете миниатюрна батерия, която може да достави на вашия светлинен меч огромно количество енергия, или трябва да го свържете към източник на енергия с помощта на дълъг кабел.
Така че, докато лъчевите оръжия и светлинните мечове могат да бъдат направени под някаква форма днес, ръчните оръжия, които виждаме в научно-фантастични филми, не са възможни при сегашното състояние на техниката. Но по-късно през този век, а може би и през следващия, развитието на науката за материалите и нанотехнологиите може да доведе до създаването на един или друг тип лъчево оръжие, което ни позволява да го определим като невъзможност от клас I.
Енергия за Звездата на смъртта
За да построите Звездата на смъртта, лазерно оръдие, способно да унищожи цяла планета и да тероризира галактиката, както е показано в Междузвездни войни, трябва да създадете най-мощния лазер, който можете да си представите. В момента най-мощните лазери на Земята вероятно се използват за получаване на температури, които в природата могат да бъдат намерени само в ядрата на звездите. Може би тези лазери и термоядрените реактори, базирани на тях, някой ден ще ни помогнат на Земята да използваме звездната енергия.
В термоядрените реактори учените се опитват да възпроизведат процесите, които се случват в космоса по време на формирането на звезда. Отначало звездата се появява като огромна топка от несформиран водород. След това гравитационните сили компресират газа и по този начин го загряват; постепенно температурата вътре достига астрономически стойности. Например, дълбоко в сърцето на звезда, температурата може да се повиши до 50-100 милиона градуса. Достатъчно горещо е, за да могат водородните ядра да се слепват; това поражда хелиеви ядра и освобождава енергия. В процеса на сливане на хелий с водород, малка част от масата се превръща в енергия съгласно известната формула на Айнщайн E = mc2. Това е източникът, от който звездата черпи енергията си.
В момента учените се опитват да използват енергията на ядрения синтез по два начина. И двата пътя се оказаха много по-трудни за изпълнение, отколкото се смяташе досега.
Инерционно ограничение за лазерно сливане
Първият метод се основава на така нареченото инерционно ограничение. С помощта на най-мощните лазери на Земята изкуствено се създава парче слънце в лабораторията. Твърдото неодимово стъклено лазерно покритие е идеално за възпроизвеждане на най-високите температури, открити само в звездни ядра. В експеримента се използват лазерни системи с размерите на добра фабрика; батерия от лазери в такава система изстрелва серия от паралелни лъчи в дълъг тунел. След това тези мощни лазерни лъчи се отразяват от система от малки огледала, монтирани около сферичния обем. Огледалата прецизно фокусират всички лазерни лъчи, насочвайки ги върху малка топка от богат на водород материал (като литиев деутерид, активната съставка във водородна бомба). Обикновено учените използват топка с размер на щифт и тежат само около 10 mg.
Лазерната светкавица незабавно загрява повърхността на топката, което кара горния слой на веществото да се изпари и топката рязко да се срути. Той се "срутва" и получената ударна вълна достига своя център и кара температурата вътре в топката да скочи до милиони градуси - нивото, необходимо за сливането на водородните ядра, за да образува хелиеви ядра. Температурата и налягането достигат такива астрономически стойности, че критерият на Лоусън е изпълнен, същият, който се изпълнява и в ядрата на звездите и при експлозиите на водородни бомби. (Критерият на Лоусън гласи, че трябва да се достигнат определени нива на температура, плътност и време на задържане, за да се предизвика реакция на термоядрен синтез във водородна бомба, звезда или реактор.)
В процеса на инерционно задържане термоядрен синтез се освобождава огромно количество енергия, включително под формата на неутрони. (Температурата на литиевия деутерид може да достигне 100 милиона градуса по Целзий, а плътността е двадесет пъти по-голяма от тази на оловото.) Възниква изблик на неутронно излъчване от топката. Неутроните попадат в сферично „одеяло“от материя, което заобикаля камерата на реактора и го загрява. Тогава получената топлина се използва за кипене на вода и парата вече може да се използва за въртене на турбината и генериране на електричество.
Проблемът обаче е да се фокусират високоенергийните лъчи и да се разпредели равномерно тяхното излъчване по повърхността на малката топка. Първият основен опит за лазерно сливане е Shiva, двадесет лъчева лазерна система, построена в Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL) и стартирана през 1978 г. (Shiva е многоръката богиня на индуския пантеон, напомняща на многолъчева лазерна система.) "Шива" се оказа обезсърчаващ; въпреки това с негова помощ беше възможно да се докаже, че лазерният термоядрен синтез е технически възможен. По-късно "Шива" беше заменен от лазера "Нова", който десетократно надмина "Шива" по мощност. Но "Нова" не успя да осигури правилно запалване на водородната топка. Но,и двете системи проправиха пътя за целенасочени изследвания в новия Национален запалителен механизъм (NIF), чието изграждане започна в LLNL през 1997 г.
Очаква се NIF да започне работа през 2009 г. Тази чудовищна машина е батерия от 192 лазера, които произвеждат огромна мощност от 700 трилиона вата за кратък импулс (общата мощност на приблизително 70 000 големи ядрени енергийни блока). Това е модерна лазерна система, проектирана специално за пълното сливане на водородни наситени топки. (Критиците посочват и очевидното му военно значение - в края на краищата подобна система е способна да симулира процеса на детониране на водородна бомба; може би ще създаде нов тип ядрено оръжие - бомба, базирана единствено на процеса на синтез, който вече не изисква атомен заряд от уран или плутоний за детонация.)
Но дори системата NIF, предназначена да осигури процеса на термоядрен синтез и включваща най-мощните лазери на Земята, дори не може да сравнява отдалечено по мощност с разрушителната сила на Звездата на смъртта, позната ни от Междузвездни войни. За да създадем такова устройство, ще трябва да търсим други източници на енергия.
Магнитно ограничение за синтез
Вторият метод, който учените по принцип биха могли да използват, за да осигурят енергия на Death Rides, е известен като магнитно задържане - процес, при който гореща водородна плазма се задържа на място от магнитно поле.
Този метод, напълно вероятно, ще служи като прототип за първите търговски термоядрени реактори. В момента най-напредналият проект от този тип е Международният термоядрен експериментален реактор (ITER). През 2006 г. няколко държави (включително Европейския съюз, САЩ, Китай, Япония, Корея, Русия и Индия) решиха да построят такъв реактор в Кадараш в Южна Франция. В него водородът трябва да се нагрее до 100 милиона градуса по Целзий. Възможно е ITER да се превърне в първия термоядрен реактор в историята, който ще може да произвежда повече енергия, отколкото изразходва. Той е проектиран да произвежда 500 MW мощност за 500 секунди (текущият рекорд е 16 MW за една секунда). Планира се първата плазма да бъде произведена в ITER до 2016 г.,и инсталацията ще заработи напълно през 2022 г. Проектът е на стойност 12 милиарда долара и е третият най-скъп научен проект в историята (след проекта Манхатън и Международната космическа станция).
На външен вид инсталацията ITER прилича на голяма поничка, оплетена отвън с огромни пръстени електрическа намотка; водородът циркулира вътре в поничката. Намотката се охлажда до състояние на свръхпроводимост и след това в нея се изпомпва огромно количество електричество, създавайки магнитно поле, което задържа плазмата вътре в поничката. Когато електрическият ток се предава директно през поничката, газът вътре в нея се загрява до звездни температури.
Причината, поради която учените се интересуват толкова от проекта ITER, е проста: в дългосрочен план той обещава да създаде евтини енергийни източници. Ядрените реактори се захранват от обикновена морска вода, богата на водород. Оказва се, поне на хартия, че термоядреният синтез може да ни осигури евтин и неизчерпаем източник на енергия.
Тогава защо все още нямаме термоядрени реактори? Защо е вече няколко десетилетия - от момента през 50-те години. е разработена диаграма на процеса - не можем ли да получим реални резултати? Проблемът е, че водородното гориво е невероятно трудно да се компресира равномерно. В ядрата на звездите гравитацията принуждава водорода да придобие идеална сферична форма, в резултат на което газът се загрява чисто и равномерно.
Лазерният термоядрен синтез в NIF изисква лазерните лъчи, които запалват повърхността на водородната топка, да бъдат абсолютно еднакви и това е изключително трудно да се постигне. При инсталациите с магнитно задържане важна роля играе фактът, че магнитното поле има северния и южния полюс; в резултат на това е изключително трудно да се компресира равномерно газът в правилната сфера.
Най-доброто, което можем да създадем, е магнитно поле с форма на поничка. Но процесът на компресиране на газ е като притискане на балон в ръцете си. Всеки път, когато изстискате топката от единия край, въздухът я изтласква на друго място. Компресирането на топката едновременно и равномерно във всички посоки не е лесна задача. Горещият газ обикновено изтича от магнитната бутилка; рано или късно той достига до стените на реактора и процесът на термоядрен синтез спира. Ето защо е толкова трудно да се компресира достатъчно водород и да се поддържа компресиран дори за секунда.
За разлика от съвременните атомни електроцентрали, където се получава делене на атоми, термоядрен реактор няма да доведе до голямо количество ядрени отпадъци. (Всеки от традиционните ядрени енергийни блокове произвежда 30 тона изключително опасни ядрени отпадъци годишно. За разлика от тях, ядрените отпадъци от термоядрен реактор ще бъдат предимно радиоактивна стомана, която ще остане след разглобяването му.)
Не трябва да се надяваме, че термоядреният синтез ще реши напълно енергийните проблеми на Земята в близко бъдеще. Французинът Пиер-Жил дьо Генес, лауреат на Нобелова награда за физика, казва: „Ние казваме, че ще поставим слънцето в кутия. Добра идея. Проблемът е, че не знаем как да направим тази кутия. Но изследователите се надяват, че ако всичко върви добре, след четиридесет години ITER ще помогне на учените да проправят пътя за търговското производство на термоядрена енергия - енергия, която един ден може да бъде източник на електричество за нашите домове. Някой ден, може би, термоядрените реактори ще ни позволят на Земята да използваме безопасно звездната енергия и по този начин да смекчим нашите енергийни проблеми. Но дори магнитно затворените термоядрени реактори няма да могат да захранват оръжия като Звездата на смъртта. Това ще изисква напълно нови разработки.
Рентгенови лазери с ядрена помпа
Съществува и друга възможност за изграждане на лазерно оръдие „Звезда на смъртта“, основано на днешната технология - с помощта на водородна бомба. Батерия от рентгенови лазери, използваща и фокусираща силата на ядрените оръжия, на теория би могла да осигури достатъчно мощност за управление на устройство, способно да взриви цяла планета.
Ядрените реакции отделят около 100 милиона пъти повече енергия на единица маса от химическите. Парче обогатен уран, не по-голям от тенис топка, би бил достатъчен, за да изгори цял град във вихрен огън, въпреки факта, че само 1% от урановата маса се превръща в енергия. Както казахме, има много начини за изпомпване на енергия в работната течност на лазера, а оттам и в лазерния лъч. Най-мощният от тези методи - далеч по-мощен от всички останали - е да се използва енергията на ядрена бомба.
Рентгеновите лазери са от огромно значение, както военни, така и научни. Много късата дължина на вълната на рентгеновото лъчение дава възможност да се използват такива лазери за сондиране на атомни разстояния и дешифриране на атомната структура на сложни молекули, което е изключително трудно да се направи с конвенционалните методи. Способността да „виждаме“атомите в движение и да различаваме тяхното местоположение в молекулата ни кара да разглеждаме химическите реакции по съвсем нов начин.
Водородната бомба излъчва огромно количество енергия под формата на рентгенови лъчи, така че рентгеновите лазери могат да се изпомпват с енергията на ядрена експлозия. В науката рентгеновите лазери са най-тясно свързани с Едуард Телър, „бащата“на водородната бомба.
Между другото, това беше Телър през 50-те години. свидетелства пред Конгреса, че на Робърт Опенхаймер, който преди това е ръководил проекта „Манхатън“, не може да бъде възложена по-нататъшна работа по водородната бомба поради политическите му възгледи. Показанията на Телер доведоха до клевета на Опенхаймер и отказ за достъп до класифицирани материали; много видни физици никога не са успели да простят на Телер за това.
(Собствените ми контакти с Телер започнаха в гимназията. След това проведох поредица от експерименти върху природата на антиматерията, спечелих голямата награда на научния панаир в Сан Франциско и пътуване до Националния научен панаир в Албакърки, Ню Мексико. Заедно с Телър, които винаги обръщаха внимание на талантливи млади физици, участвах в местна телевизионна програма. По-късно получих инженерна стипендия от Teller, кръстена на Hertz, която ми помогна да платя за обучението си в Харвард. Няколко пъти годишно ходих в дома на Teller в Бъркли и там опознах семейството му отблизо.)
По принцип рентгеновият лазер на Teller е малка ядрена бомба, заобиколена от медни пръчки. Експлозията на ядрено оръжие генерира сферична взривна вълна с интензивно рентгеново лъчение. Тези високоенергийни лъчи преминават през медни пръчки, които действат като работната течност на лазера и фокусират рентгеновата енергия в мощни лъчи. След това получените рентгенови лъчи могат да бъдат насочени към вражеските бойни глави. Разбира се, такова устройство може да се използва само веднъж, тъй като ядрената експлозия би самоунищожила рентгеновия лазер.
Първият рентгенов лазерен тест, наречен тест на Кабра (Calba), е извършен през 1983 г. В подземна мина е била детонирана водородна бомба, а след това произволен поток от рентгенови лъчи от нея е бил фокусиран и преобразуван в кохерентен рентгенов лазерен лъч. Първоначално се установи, че тестовете са успешни; всъщност именно този успех през 1983 г. вдъхнови президента Рейгън да направи историческо изявление за намерение да изгради защитен щит от Междузвездни войни. Това стартира програма за милиарди долари за изграждане на мрежа от устройства като рентгенови лазери с ядрена помпа за сваляне на вражески МБР. Работата по тази програма продължава и днес. (По-късно се оказа, че сензор, предназначен да регистрира и измерва радиацията по време на исторически тест,беше разрушен; следователно на неговите показания не може да се вярва.)
Наистина ли е възможно да се свалят бойни глави на балистични ракети с такова нетривиално устройство? Не е изключено. Но не трябва да се забравя, че врагът може да измисли много прости и евтини начини за неутрализиране на такива оръжия (например, човек може да заблуди радара, изстрелвайки милиони евтини примамки; или да накара бойната глава да се върти, за да разпръсне рентгенови лъчи по този начин; или да измисли химическо покритие, което би предпазил бойната глава от рентгена). В крайна сметка врагът може просто да произвежда масови бойни глави, които да пробият щита на „Междузвездни войни“само с огромния им брой.
Следователно рентгеновите лазери с ядрена помпа в момента не са в състояние да защитят срещу ракетно нападение. Но възможно ли е да се създаде на тяхна основа Звезда на смъртта, способна да унищожи цяла планета или да се превърне в ефективно средство за защита срещу приближаващия се астероид?
Физика на Звездата на смъртта
Възможно ли е да се създаде оръжие, способно да унищожи цяла планета, като в Междузвездни войни? На теория отговорът е прост: да. И то по няколко начина.
Няма физически ограничения за енергията, отделена от експлозията на водородна бомба. Това е така. (Подробно описание на водородната бомба дори и днес е класифицирано от правителството на САЩ като най-високата категория на секретност, но като цяло устройството й е добре известно.) Водородната бомба се прави на няколко етапа. Комбинирайки точния брой етапи в правилната последователност, можете да получите ядрена бомба с почти всякаква предварително определена мощност.
Първият етап е стандартна бомба за делене или атомна бомба; той използва енергията на уран-235, за да генерира рентгенов взрив, както се случи в Хирошима. Частица секунда преди експлозията на атомна бомба взривява всичко на парчета, появява се разширяваща се сфера от мощен рентгенов импулс. Това излъчване изпреварва действителната експлозия (тъй като се движи със скоростта на светлината); те успяват да го фокусират отново и да го изпратят в контейнер с литиев деутерид, активното вещество на водородна бомба. (Как точно се прави това все още е държавна тайна.) Рентгеновите лъчи попадат върху литиевия деутерид, което го кара незабавно да се срути и да се нагрее до милиони градуси, причинявайки втори взрив, много по-мощен от първия. Рентгеновият взрив в резултат на тази втора експлозияслед това можете да се фокусирате върху втора партида литиев деутерид и да предизвикате трета експлозия. Ето принципа, по който можете да поставите много контейнери с литиев деутерид един до друг и да получите водородна бомба с невъобразима мощност. По този начин най-мощната бомба в историята на човечеството е двустепенната водородна бомба, която е била взривена през 1961 г. от Съветския съюз. След това имаше експлозия с капацитет от 50 милиона тона TNT, въпреки че теоретично тази бомба беше способна да даде мощност над 100 мегатона TNT (което е около 5000 пъти повече от мощността на бомбата, хвърлена върху Хирошима).най-мощната бомба в човешката история е двустепенната водородна бомба, която е била взривена през 1961 г. от Съветския съюз. След това имаше експлозия с капацитет от 50 милиона тона TNT, въпреки че теоретично тази бомба беше способна да даде мощност над 100 мегатона TNT (което е около 5000 пъти повече от мощността на бомбата, хвърлена върху Хирошима).най-мощната бомба в човешката история е двустепенната водородна бомба, която е била взривена през 1961 г. от Съветския съюз. След това имаше експлозия с капацитет от 50 милиона тона TNT, въпреки че теоретично тази бомба беше способна да даде мощност над 100 мегатона TNT (което е около 5000 пъти повече от мощността на бомбата, хвърлена върху Хирошима).
Необходими са обаче съвсем други сили, за да се запали цяла планета. За целта Звездата на смъртта ще трябва да изстреля хиляди такива рентгенови лазери в космоса, които след това ще трябва да бъдат изстреляни едновременно. (За сравнение, в разгара на Студената война, Съединените щати и Съветският съюз складираха по около 30 000 ядрени бомби.) Комбинираната енергия на такъв огромен брой рентгенови лазери би била достатъчна, за да запали повърхността на планетата. Следователно Галактическата империя на бъдещето, отдалечена от нас на стотици хиляди години, може, разбира се, да създаде такова оръжие.
За една силно развита цивилизация има друг начин: да се създаде Звезда на смъртта, която да използва енергията на космически източник на гама-лъчи. От такава Смъртна звезда ще излезе изблик на радиация, втори по мощност след Големия взрив. Източниците на гама-лъчи са естествен феномен, съществуват в космоса; въпреки това е възможно някой ден една напреднала цивилизация да впрегне огромната си енергия. Възможно е, ако поемем контрола върху въртенето на звезда много преди нейното срутване и раждането на хипернова, тогава ще бъде възможно да насочим „изстрела“на източника на гама-изблици към всяка точка в пространството.
Източници на гама-лъчи
Космическите източници на GRB са забелязани за първи път през 70-те години. върху сателитите Vela, изстреляни от американски военни сателити, предназначени да открият „допълнителни светкавици“- доказателства за незаконна експлозия на ядрена бомба. Но вместо изригвания на земната повърхност, сателитите откриха гигантски изблици на радиация от космоса. Първоначалното изненадващо откритие предизвика паника в Пентагона: Съветите тестват ли нови ядрени оръжия в дълбокия космос? По-късно беше установено, че изблиците идват равномерно от всички посоки на небесната сфера; това означаваше, че всъщност те идват в галактиката Млечен път отвън. Но ако приемем наистина екстрагалактически произход на изблиците, тогава тяхната сила ще се окаже наистина астрономическа - в края на краищата те са в състояние да "осветят" цялата видима Вселена.
След разпадането на Съветския съюз през 1990 г. Пентагонът неочаквано разсекрети огромно количество астрономически данни. Астрономите бяха изумени. Изведнъж осъзнаха, че са изправени пред ново загадъчно явление от тези, които са принудени от време на време да пренаписват учебници и справочници.
Продължителността на гама-лъчите е кратка и варира от няколко секунди до няколко минути, така че е необходима внимателно организирана сензорна система за тяхното откриване и анализ. Първо, сателитите регистрират изблик на гама-лъчение и изпращат точните координати на източника на Земята. Получените координати се предават на оптични или радиотелескопи, които от своя страна се насочват към определена точка в небесната сфера.
Въпреки че в момента не всичко е известно за гама-лъчите, една от теориите за техния произход казва, че източниците на гама-лъчи са "хипернови" с изключителна сила, оставящи след себе си масивни черни дупки. В този случай се оказва, че източниците на гама-лъчи са чудовищни черни дупки в етапа на формиране.
Но черните дупки излъчват две струи, два потока радиация, от южния полюс и от север, като въртящ се връх. Излъчването на гама-лъча, което регистрираме, очевидно принадлежи на един от тези потоци - този, който се оказа насочен към Земята. Ако потокът от гама-лъчение от такъв източник беше насочен точно към Земята, а самият източник беше в нашата галактическа околност (на разстояние няколкостотин светлинни години от Земята), неговата мощност би била достатъчна, за да унищожи напълно живота на нашата планета.
Първо, електромагнитен импулс, създаден от рентгенови лъчи от източник на гама-лъч, би изключил цялото електронно оборудване на Земята. Мощен лъч рентгенови лъчи и гама лъчение би причинил непоправима вреда на земната атмосфера, разрушавайки защитния озонов слой. Тогава поток от гама лъчи ще загрее земната повърхност, причинявайки чудовищни бури, които в крайна сметка ще погълнат цялата планета. Може би източникът на гама-лъчи не би взривил планетата, както е показано във филма "Междузвездни войни", но със сигурност щеше да унищожи целия живот на нея, оставяйки след себе си овъглена пустиня.
Може да се предположи, че цивилизация, която ни е изпреварила в развитието със стотици милиони години, ще се научи да насочва подобни черни дупки към желаната цел. Това може да се постигне, като се научим да контролираме движението на планетите и неутронните звезди и да ги насочваме към умираща звезда под точно изчислен ъгъл непосредствено преди колапса. Относително малко усилия ще са достатъчни, за да отклонят оста на въртене на звездата и да я насочат в желаната посока. Тогава умиращата звезда ще се превърне в най-голямото оръдие на лъча, което можем да си представим.
Обобщете. Използването на мощни лазери за създаване на преносими или ръчни оръжия и светлинни мечове трябва да бъде класифицирано като невъзможност от клас I - най-вероятно това ще стане възможно в близко бъдеще или, да речем, през следващите сто години. Но изключително трудната задача да се насочи въртяща се звезда преди да се взриви и да се трансформира в черна дупка, т.е. да се превърне в Звезда на смъртта, трябва да се разглежда като невъзможност от клас II - нещо, което не противоречи ясно на законите на физиката (в края на краищата източниците на гама-лъчи съществуват в действителност), но може да бъде реализирана далеч в бъдеще, след хиляди или дори милиони години.
От книгата: "Физика на невъзможното".
