Gwiazda Śmierci to kolosalna broń wielkości dobrego księżyca. Strzelając z bliska do bezbronnej planety Alderaan, ojczyzny księżniczki Leii, Gwiazda Śmierci całkowicie ją niszczy. Planeta znika w płomieniach tytanicznej eksplozji, rozpraszając szczątki w całym Układzie Słonecznym. Miliard dusz jednocześnie krzyczy w agonii, wywołując oburzenie Mocy, które jest odczuwalne w dowolnym miejscu galaktyki.
Ale czy broń taka jak Gwiazda Śmierci z filmu Gwiezdne Wojny jest naprawdę możliwa? Czy można tak zorganizować i skierować baterię dział laserowych, aby cała planeta wyparowała? A co ze słynnymi mieczami świetlnymi, którymi władali Luke Skywalker i Darth Vader, które są wiązką światła, ale z łatwością przecinają pancerną stal? Czy raygun, podobnie jak fazery w Star Trek, stanie się właściwą bronią dla przyszłych pokoleń organów ścigania i żołnierzy?
Nowe, oryginalne i zadziwiające efekty specjalne Gwiezdnych Wojen wywarły nieodparte wrażenie na milionach widzów, ale krytycy mieli inne zdanie. Niektórzy z nich argumentowali, że tak, oczywiście, twórcy filmu szczerze starali się rozbawić widza, ale w rzeczywistości takie rzeczy są całkowicie niemożliwe. Krytycy nigdy nie mają dość powtarzania jak zaklęcie: działa promiennikowe wielkości księżyca, zdolne do rozerwania całej planety na małe kawałki, to coś niespotykanego; miecze z nagle stwardniałej wiązki światła są również niemożliwe. To wszystko za dużo, nawet dla odległej galaktyki. Tym razem George Lucas, uznany mistrz efektów specjalnych, trochę się poślizgnął.
Trudno w to uwierzyć, ale w wiązkę światła można „wepchnąć” nieograniczoną ilość energii; nie ma fizycznych ograniczeń. Stworzenie Gwiazdy Śmierci lub miecza świetlnego nie jest sprzeczne z żadnymi prawami fizyki. Co więcej, wiązki promieniowania gamma zdolne do wysadzenia planety w powietrze faktycznie istnieją w przyrodzie. Tytaniczny wybuch promieniowania, generowany przez odległe, tajemnicze źródło rozbłysków gamma, jest w stanie wywołać eksplozję w kosmosie, ustępując jedynie mocy samego Wielkiego Wybuchu. Każda planeta, której uda się znaleźć w zasięgu wzroku takiej „broni”, zostanie w rzeczywistości usmażona lub rozerwana na kawałki.
Broń promieniowa w historii
Marzenie o okiełznaniu energii promieniowania wcale nie jest nowe; jego korzenie sięgają starożytnej religii i mitologii. Grecki bóg Zeus słynie z strzelania do śmiertelników piorunami. Północny bóg Thor dzierżył magiczny młot, Mjellnir, zdolny do rzucania błyskawic, a hinduski bóg Indra wystrzelił wiązkę energii z magicznej włóczni.
Idea promienia jako prawdziwej praktycznej broni pojawiła się po raz pierwszy w pracach wielkiego greckiego matematyka Archimedesa, być może największego starożytnego naukowca, któremu udało się opracować własną wersję prymitywnego rachunku różniczkowego dwa tysiące lat przed Newtonem i Leibnizem. Uważa się, że w legendarnej bitwie z 214 roku pne. przeciwko wojskom rzymskiego generała Marcellusa podczas drugiej wojny punickiej, Archimedes, pomagając w obronie królestwa Syrakuz, zbudował dużą baterię reflektorów słonecznych, skupił promienie słoneczne na żaglach wrogich statków i tym samym podpalił je. (Naukowcy wciąż debatują, czy taka broń laserowa mogłaby rzeczywiście działać; kilka grup naukowców próbowało, z różnymi wynikami, powtórzyć to osiągnięcie).
Film promocyjny:
Pistolety wiązkowe trafiły na strony science fiction w 1889 roku wraz z klasyczną Wojną światów HG Wellsa. W tej powieści kosmici z Marsa zniszczyli całe miasta, kierując do nich wiązki energii cieplnej z armat zamontowanych na ich statywach. Podczas II wojny światowej naziści, zawsze gotowi do badania i przyjmowania najnowszych osiągnięć technologicznych w celu wykorzystania ich do podboju świata, eksperymentowali również z różnymi typami dział promieni, w tym z urządzeniami akustycznymi, które skupiały potężne wiązki dźwięku za pomocą luster parabolicznych.
Broń, która jest skupioną wiązką światła, poruszyła wyobraźnię publiczności po premierze filmu o Jamesie Bondzie Goldfinger; był to pierwszy film z Hollywood, w którym wykorzystano laser. (W nim legendarny brytyjski szpieg był przywiązany do metalowego stołu, a potężny promień lasera powoli zbliżał się do niego, stopniowo topiąc stół między jego nogami i grożąc przecięciem bohatera na pół.)
Początkowo fizycy tylko śmiali się z idei pistoletów strumieniowych, wyrażonej w powieści Wellsa, ponieważ takie pistolety naruszały znane nam prawa optyki. Zgodnie z równaniami Maxwella światło, które widzimy wokół nas, jest niespójne (tj. Jest to zbiór fal o różnych częstotliwościach i fazach) i szybko się rozprasza. Kiedyś wierzono, że spójna, skupiona, jednolita wiązka światła - na przykład wiązka laserowa - jest niemożliwa do osiągnięcia.
Rewolucja kwantowa
Wszystko zmieniło się po pojawieniu się teorii kwantowej. Już na początku XX wieku. stało się jasne, że chociaż prawa Newtona i równania Maxwella bardzo skutecznie opisują ruch planet i zachowanie światła, istnieje cała klasa zjawisk, których nie potrafią wyjaśnić. Niestety, nie powiedzieli nic o tym, dlaczego materiały przewodzą prąd, dlaczego metale topią się w określonych temperaturach, dlaczego gazy po podgrzaniu emitują światło, dlaczego niektóre substancje stają się nadprzewodzące w niskich temperaturach. Aby odpowiedzieć na którekolwiek z tych pytań, konieczne jest zrozumienie wewnętrznej dynamiki atomów. Rewolucja dojrzała. Fizyka newtonowska, po 250 latach dominacji, czekała na jej obalenie; jednocześnie upadek starego idola miał zwiastować początek bólów porodowych nowej fizyki.
W 1900 roku Max Planck w Niemczech zasugerował, że energia nie jest ciągła, jak sądził Newton, ale istnieje w postaci małych, dyskretnych „porcji” zwanych „kwantami”. Następnie, w 1905 roku, Einstein postulował, że światło składa się również z tych małych dyskretnych pakietów (lub kwantów), zwanych później fotonami. Za pomocą tego prostego, ale potężnego pomysłu Einstein był w stanie wyjaśnić efekt fotoelektryczny, a mianowicie dlaczego metale napromieniowane światłem emitują elektrony. Obecnie efekt fotoelektryczny i foton są podstawą telewizji, laserów, paneli słonecznych i wielu nowoczesnych urządzeń elektronicznych. (Teoria fotonu Einsteina była tak rewolucyjna, że nawet Max Planck, który zwykle żarliwie wspierał Einsteina, początkowo nie mógł w nią uwierzyć. Planck pisał o Einsteinie: „Faktże czasami tęskni … tak jak na przykład postąpił z hipotezą o kwantach światła, nie można go z całą świadomością winić. )
W 1913 roku duński fizyk Niels Bohr przedstawił nam zupełnie nowy obraz atomu; Atom Bohra przypominał miniaturowy układ słoneczny. Ale w przeciwieństwie do prawdziwego Układu Słonecznego, elektrony w atomie mogą poruszać się wokół jądra tylko w ramach dyskretnych orbit lub powłok. Kiedy elektron „przeskakuje” z jednej powłoki do drugiej, która jest bliżej jądra i ma mniej energii, emituje foton energii. I odwrotnie, kiedy elektron absorbuje foton o określonej energii, „przeskakuje” wyżej, do powłoki, która jest dalej od jądra i ma więcej energii.
W 1925 roku, wraz z nadejściem mechaniki kwantowej i rewolucyjną pracą Erwina Schrödingera, Wernera Heisenberga i wielu innych, narodziła się prawie kompletna teoria atomu. Zgodnie z teorią kwantową elektron był cząstką, ale posiadał również towarzyszącą mu falę, która nadawała mu właściwości zarówno cząstki, jak i fali. Fala ta była zgodna z tak zwanym równaniem falowym Schrödingera, które umożliwiło obliczenie właściwości atomu, w tym wszystkich „skoków” elektronów postulowanych przez Bohra.
Do 1925 roku atomy uważano za tajemnicze obiekty; wielu, jak filozof Ernst Mach, w ogóle nie wierzyło w ich istnienie. Po 1925 roku człowiek miał okazję nie tylko dogłębnie przyjrzeć się dynamice atomu, ale także dość wiarygodnie przewidzieć jego właściwości. Co zaskakujące, oznaczało to, że mając pod ręką wystarczająco potężny komputer, można było wywnioskować właściwości pierwiastków chemicznych bezpośrednio z praw teorii kwantów. Tak jak fizyka newtonowska z wystarczająco dużą maszyną obliczeniową pozwoliłaby naukowcom obliczyć ruch wszystkich ciał niebieskich we wszechświecie, tak zdaniem naukowców fizyka kwantowa umożliwiła w zasadzie obliczenie wszystkich właściwości pierwiastków chemicznych wszechświata bez wyjątku. Ponadto mając wystarczająco wydajny komputer,można by skomponować pełną funkcję falową człowieka.
Masery i lasery
W 1953 roku profesor Charles Townes z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wraz z kolegami zdołał uzyskać pierwszą wiązkę spójnego promieniowania, czyli mikrofale. Urządzenie nazwano maserem (maser - od pierwszych liter słów wyrażenia „wzmocnienie mikrofalowe poprzez stymulowaną emisję promieniowania”, czyli „wzmocnienie mikrofal poprzez stymulację promieniowania”). Później, w 1964 roku, Townes wraz z rosyjskimi fizykami Nikołajem Basowem i Aleksandrem Prochorow otrzymał Nagrodę Nobla. Wkrótce wyniki naukowców zostały rozszerzone na światło widzialne. Narodził się laser. (Z drugiej strony fazer to fantastyczne urządzenie rozsławione przez Star Trek.)
Podstawą lasera jest specjalne medium, które faktycznie przenosi wiązkę lasera; może to być specjalny gaz, kryształ lub dioda. Następnie musisz wpompować energię do tego środowiska z zewnątrz - za pomocą prądu, fal radiowych, światła lub reakcji chemicznej. Niespodziewany napływ energii wzbudza atomy w ośrodku, powodując, że elektrony absorbują energię i przeskakują na zewnętrzne powłoki o wyższej energii.
W takim wzbudzonym, pompowanym stanie medium staje się niestabilne. Jeśli po tym przepłynie przez nią wiązka światła, to zderzające się z atomami fotony wiązki spowodują gwałtowny zrzucenie elektronów na niższe orbity i uwolnienie dodatkowych fotonów. Te fotony z kolei spowodują, że jeszcze więcej elektronów wyemituje fotony - i wkrótce reakcja łańcuchowa atomów „zapadają się” do stanu nie wzbudzonego, z prawie jednoczesnym uwolnieniem ogromnej liczby fotonów - bilionów i bilionów z nich - wszystkich w jedną wiązkę. Podstawową cechą tego procesu jest to, że w niektórych substancjach, z uwolnieniem podobnym do lawiny, wszystkie fotony wibrują zgodnie, to znaczy są spójne.
(Wyobraź sobie kostki domino ustawione w rzędzie. W najniższym stanie energetycznym każda kostka leży płasko na stole. W stanie o wysokiej energii, nadmuchanej, kostki stoją wyprostowane, jak napompowane atomy ośrodka. Naciskając jedną kostkę, możesz spowodować nagłe jednoczesne uwolnienie całej tej energii, tak jak to samo, co dzieje się przy narodzinach wiązki laserowej.)
Tylko kilka materiałów może pracować w laserze; Oznacza to, że tylko w specjalnych substancjach, gdy foton zderza się z wzbudzonym atomem, emitowany jest foton, który jest spójny z pierwszym. Ta właściwość materii prowadzi do tego, że wszystkie fotony w wyłaniającym się strumieniu wibrują zgodnie, tworząc cienką wiązkę laserową. (W przeciwieństwie do popularnej legendy, wiązka lasera nie zawsze pozostaje tak cienka jak na samym początku. Na przykład wiązka laserowa wystrzelona w Księżyc będzie stopniowo rozszerzała się po drodze i utworzy plamkę o wielkości kilku kilometrów na powierzchni Księżyca.)
Prosty laser gazowy to rurka wypełniona mieszaniną helu i neonu. Gdy przez rurkę przepływa prąd, atomy absorbują energię i stają się wzbudzone. Następnie, jeśli nastąpi nagłe uwolnienie całej energii zmagazynowanej w gazie, rodzi się wiązka spójnego światła. Wiązka ta jest wzmacniana przez dwa lustra zainstalowane na obu końcach rury, dzięki czemu wiązka odbija się od nich z kolei i pędzi wzdłuż rury z boku na bok. Jedno z luster jest całkowicie nieprzezroczyste, ale drugie przepuszcza niewielką część padającego światła, uwalniając w ten sposób wiązkę na zewnątrz.
Dziś lasery można znaleźć wszędzie - w kasie sklepu spożywczego, w kablu światłowodowym umożliwiającym dostęp do Internetu, w drukarce laserowej czy odtwarzaczu CD, czy w nowoczesnym komputerze. Lasery znajdują zastosowanie w chirurgii oka, usuwaniu tatuaży, a nawet w gabinetach kosmetycznych. W 2004 roku lasery sprzedano na całym świecie za ponad 5,4 miliarda dolarów.
Rodzaje laserów i ich cechy
Obecnie niemal codziennie odkrywane są nowe lasery; z reguły mówimy o odkryciu nowej substancji, która może działać w laserze lub wynalezieniu nowej metody pompowania energii do płynu roboczego.
Pytanie brzmi, czy te technologie są odpowiednie do produkcji broni promieniowej lub mieczy świetlnych? Czy potrafisz zbudować wystarczająco duży laser, aby zasilić Gwiazdę Śmierci? Obecnie istnieje oszałamiająca różnorodność laserów, które można sklasyfikować według materiału płynu roboczego i sposobu pompowania energii (może to być prąd elektryczny, potężna wiązka światła, a nawet wybuch chemiczny). Podajemy kilka typów laserów.
• Lasery gazowe. Ta kategoria obejmuje również niezwykle popularne lasery helowo-neonowe, które wytwarzają bardzo znajomą czerwoną wiązkę. Są pompowane falami radiowymi lub elektrycznością. Lasery helowo-neonowe mają małą moc. Ale lasery gazowe na dwutlenek węgla mogą być używane do operacji wybuchowych, do cięcia i wytapiania metali w przemyśle ciężkim; są w stanie wytworzyć niezwykle silną i całkowicie niewidoczną wiązkę;
• Lasery chemiczne. Te potężne lasery są ładowane w wyniku reakcji chemicznych, takich jak spalanie etylenu i trójfluorku azotu NF3. Te lasery są wystarczająco mocne, aby można je było stosować w wojsku. W Stanach Zjednoczonych zasada pompowania chemikaliów jest stosowana w lotnych i naziemnych laserach bojowych zdolnych do dostarczania wiązki milionów watów i zaprojektowanych do zestrzeliwania w locie pocisków krótkiego zasięgu.
• Lasery ekscymerowe. Lasery te również czerpią energię z reakcji chemicznej, która zwykle obejmuje gaz obojętny (tj. Argon, krypton lub ksenon) i pewnego rodzaju fluor lub chlorek. Emitują światło ultrafioletowe i mogą być używane w przemyśle elektronicznym do wytrawiania maleńkich tranzystorów na chipach półprzewodnikowych oraz w chirurgii oka do delikatnych operacji Lasika.
• Lasery półprzewodnikowe. Diody, których używamy tak szeroko we wszelkiego rodzaju urządzeniach elektronicznych, mogą wytwarzać silne wiązki laserowe, które są używane w przemyśle cięcia i spawania. Te same lasery półprzewodnikowe działają również w kasach fiskalnych, odczytując kody kreskowe z wybranych produktów.
• Lasery barwnikowe. Te lasery wykorzystują organiczne barwniki jako medium robocze. Są niezwykle przydatne w generowaniu ultrakrótkich impulsów światła, które często są rzędu jednej bilionowej sekundy.
Lasery i pistolety laserowe?
Biorąc pod uwagę ogromną różnorodność komercyjnych laserów i moc laserów wojskowych, trudno nie dziwić się, dlaczego nie mamy broni promieniowej i armat, których można używać na polu bitwy? W filmach science fiction, pistolety i pistolety promieniowe są najczęściej używanymi i znanymi broniami. Dlaczego nie pracujemy nad stworzeniem takiej broni?
Prosta odpowiedź na to pytanie jest taka, że nie mamy wystarczającej liczby przenośnych źródeł zasilania. To nie jest drobiazg. Broń wiązkowa wymagałaby miniaturowych baterii wielkości dłoni, ale pasujących do mocy ogromnej elektrowni. Obecnie jedynym sposobem na wykorzystanie mocy dużej elektrowni jest jej zbudowanie. A najmniejszym urządzeniem wojskowym, które może służyć jako pojemnik na takie energie, jest miniaturowa bomba wodorowa, która niestety może zniszczyć nie tylko cel, ale i Ciebie.
Jest też drugi problem - stabilność emitowanej substancji, czyli płynu roboczego. W teorii nie ma ograniczeń co do ilości energii, jaką można wpompować do lasera. Problem w tym, że działający korpus ręcznego pistoletu laserowego byłby niestabilny. Na przykład lasery kryształowe przegrzewają się i pękają, jeśli wpompujesz do nich zbyt dużo energii. W konsekwencji, stworzenie niezwykle potężnego lasera - takiego, który mógłby odparować obiekt lub zneutralizować wroga - może wymagać energii wybuchowej. W tym przypadku oczywiście nie można już myśleć o stabilności płynu roboczego, ponieważ nasz laser będzie jednorazowy.
Problemy z rozwojem przenośnych źródeł zasilania i stabilnych materiałów emitujących uniemożliwiają istnienie wyrzutni promieni przy obecnym stanie techniki. Ogólnie rzecz biorąc, możesz stworzyć promiennik tylko wtedy, gdy doprowadzisz do niego kabel ze źródła zasilania. Być może za pomocą nanotechnologii uda nam się kiedyś stworzyć miniaturowe baterie, które mogą magazynować lub generować energię wystarczającą do wytworzenia potężnych wybuchów - niezbędnej cechy ręcznej broni laserowej. Obecnie, jak widzieliśmy, nanotechnologia jest w powijakach. Tak, naukowcom udało się stworzyć na poziomie atomowym urządzenia - bardzo pomysłowe, ale zupełnie niepraktyczne, jak atomowe liczydło czy atomowa gitara. Ale może się zdarzyć, że co jeszcze w tym lub, powiedzmy,w następnym stuleciu nanotechnologia rzeczywiście da nam miniaturowe baterie do magazynowania olbrzymich ilości energii.
Miecze świetlne mają ten sam problem. Wraz z wydaniem Gwiezdnych wojen w 1970 roku zabawkowe miecze świetlne stały się natychmiastowym hitem wśród chłopców. Wielu krytyków uważało za swój obowiązek zwrócenie uwagi, że w rzeczywistości takie urządzenia są niemożliwe. Po pierwsze, światła nie można zestalić. Światło porusza się z prędkością światła, więc nie da się go zestalić. Po drugie, wiązki światła nie można gwałtownie odciąć w przestrzeni, tak jak robią to miecze świetlne w Gwiezdnych wojnach. Promienia światła nie można zatrzymać, jest on zawsze w ruchu; prawdziwy miecz świetlny poleciałby daleko w niebo.
W rzeczywistości istnieje sposób na zrobienie czegoś w rodzaju miecza świetlnego z plazmy lub przegrzanego zjonizowanego gazu. Jeśli plazma zostanie dostatecznie nagrzana, będzie świecić w ciemności i tnie stal. Miecz świetlny plazmowy może być cienką teleskopową rurką wystającą z rękojeści.
Gorąca plazma jest uwalniana do rurki z rękojeści, która następnie wychodzi przez małe otwory na całej długości „ostrza”. Plazma unosi się z rękojeści wzdłuż ostrza i na zewnątrz do długiego, świecącego cylindra przegrzanego gazu, wystarczająco gorącego, by stopić stal. Takie urządzenie jest czasami nazywane palnikiem plazmowym.
W ten sposób możemy stworzyć wysokoenergetyczne urządzenie, które przypomina miecz świetlny. Ale tutaj, podobnie jak w przypadku pistoletów promieniowych, musisz najpierw zdobyć potężną przenośną baterię. Więc albo użyjesz nanotechnologii do stworzenia miniaturowej baterii, która może dostarczyć Twojemu mieczowi świetlnemu ogromną ilość energii, albo musisz podłączyć ją do źródła zasilania za pomocą długiego kabla.
Tak więc, chociaż broń promieniowa i miecze świetlne mogą być dziś wykonane w jakiejś formie, broń ręczna, którą widzimy w filmach science-fiction, nie jest możliwa przy obecnym stanie techniki. Ale później w tym stuleciu, a może w następnym, rozwój nauki o materiałach i nanotechnologii może równie dobrze doprowadzić do powstania jednego lub drugiego rodzaju broni wiązkowej, co pozwala nam zdefiniować ją jako niemożliwość I klasy.
Energia dla Gwiazdy Śmierci
Aby zbudować Gwiazdę Śmierci, działo laserowe zdolne do zniszczenia całej planety i terroryzowania galaktyki, jak pokazano w Gwiezdnych wojnach, musisz stworzyć najpotężniejszy laser, jaki można sobie wyobrazić. Obecnie najpotężniejsze lasery na Ziemi są prawdopodobnie używane do uzyskiwania temperatur, które w naturze można znaleźć tylko w rdzeniach gwiazd. Być może te lasery i oparte na nich reaktory termojądrowe pomogą nam kiedyś na Ziemi okiełznać energię gwiazd.
W reaktorach termojądrowych naukowcy próbują odtworzyć procesy zachodzące w kosmosie podczas formowania się gwiazdy. Początkowo gwiazda wygląda jak ogromna kula nieuformowanego wodoru. Następnie siły grawitacyjne ściskają gaz i tym samym go podgrzewają; stopniowo temperatura w środku osiąga astronomiczne wartości. Na przykład, głęboko w sercu gwiazdy temperatura może wzrosnąć do 50-100 milionów stopni. Jest wystarczająco gorąco, aby jądra wodoru zlepiły się ze sobą; w tym przypadku pojawiają się jądra helu i uwalniana jest energia. W procesie stapiania helu z wodoru niewielka część masy jest przekształcana w energię zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc2. To jest źródło, z którego gwiazda czerpie energię.
Obecnie naukowcy próbują wykorzystać energię syntezy jądrowej na dwa sposoby. Obie ścieżki okazały się znacznie trudniejsze do zrealizowania niż wcześniej sądzono.
Uwięzienie bezwładnościowe do fuzji laserowej
Pierwsza metoda opiera się na tzw. Uwięzieniu inercyjnym. Przy pomocy najpotężniejszych laserów na Ziemi kawałek słońca jest sztucznie tworzony w laboratorium. Laser neodymowy na ciele stałym jest idealny do odtwarzania najwyższych temperatur występujących tylko w rdzeniach gwiazd. Eksperyment wykorzystuje systemy laserowe wielkości dobrej fabryki; bateria laserów w takim systemie wystrzeliwuje szereg równoległych wiązek do długiego tunelu. Te potężne wiązki laserowe są następnie odbijane od systemu małych luster zamontowanych wokół kulistej objętości. Lustra precyzyjnie skupiają wszystkie promienie lasera, kierując je na maleńką kulkę materiału bogatego w wodór (takiego jak deuterek litu, aktywny składnik bomby wodorowej). Naukowcy zwykle używają kulki wielkości główki szpilki i ważą tylko około 10 mg.
Błysk lasera natychmiast nagrzewa powierzchnię kulki, powodując odparowanie górnej warstwy substancji i gwałtowne zapadnięcie się kulki. „Zapada się”, a powstająca w ten sposób fala uderzeniowa dociera do samego jej środka i powoduje, że temperatura wewnątrz kuli skacze do milionów stopni - poziomu niezbędnego do połączenia jąder wodoru w jądra helu. Temperatura i ciśnienie osiągają tak astronomiczne wartości, że kryterium Lawsona jest spełnione, to samo, które spełnia także jądra gwiazd i eksplozje bomb wodorowych. (Kryterium Lawsona mówi, że aby wywołać reakcję termojądrową w bombie wodorowej, gwieździe lub reaktorze, muszą zostać osiągnięte określone poziomy temperatury, gęstości i czasu retencji).
W procesie inercyjnej fuzji termojądrowej uwalnia się ogromna ilość energii, w tym w postaci neutronów. (Temperatura deuterku litu może osiągnąć 100 milionów stopni Celsjusza, a gęstość jest dwudziestokrotnie większa niż ołowiu). Występuje wyrzut promieniowania neutronowego z kuli. Neutrony wpadają w kulisty „koc” materii otaczający komorę reaktora i ogrzewają ją. Następnie powstałe ciepło jest wykorzystywane do zagotowania wody, a parę można już wykorzystać do obracania turbiny i wytwarzania energii elektrycznej.
Problem polega jednak na tym, aby zogniskować wysokoenergetyczne wiązki i równomiernie rozprowadzić ich promieniowanie po powierzchni maleńkiej kulki. Pierwszą poważną próbą fuzji laserowej był Shiva, dwudziestowiązkowy system laserowy zbudowany w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i uruchomiony w 1978 r. (Shiva jest wieloręką boginią hinduskiego panteonu, przypominającą wielowiązkowy system laserowy). „Shiva” okazał się zniechęcający; niemniej jednak z jego pomocą udało się udowodnić, że laserowa synteza termojądrowa jest technicznie możliwa. Później „Shiva” został zastąpiony laserem „Nova”, który dziesięciokrotnie przewyższał moc „Shivy”. Jednak „Nova” nie była w stanie zapewnić odpowiedniego zapłonu kuli wodorowej. A jednakOba te systemy utorowały drogę do ukierunkowanych badań w nowym National Ignition Facility (NIF), którego budowa rozpoczęła się w LLNL w 1997 roku.
Oczekuje się, że NIF rozpocznie pracę w 2009 roku. Ta potworna maszyna to bateria 192 laserów, które wytwarzają ogromną moc 700 bilionów watów w krótkim impulsie (łączna moc około 70 000 dużych bloków jądrowych). Jest to najnowocześniejszy system laserowy zaprojektowany specjalnie do pełnego stopienia kul nasyconych wodorem. (Krytycy zwracają też uwagę na jego oczywiste znaczenie militarne - w końcu taki system jest w stanie symulować proces detonacji bomby wodorowej; być może stworzy nowy rodzaj broni jądrowej - bombę opartą wyłącznie na procesie syntezy jądrowej, która nie wymaga już do detonacji ładunku atomowego uranu czy plutonu.)
Ale nawet system NIF, zaprojektowany do wspierania procesu syntezy termojądrowej i zawierający najpotężniejsze lasery na Ziemi, nie może nawet w przybliżeniu porównać mocy z niszczycielską mocą Gwiazdy Śmierci, znanej nam z Gwiezdnych Wojen. Aby stworzyć takie urządzenie, będziemy musieli poszukać innych źródeł energii.
Magnetyczne zamknięcie do fuzji
Druga metoda, którą naukowcy mogliby w zasadzie zastosować do dostarczania energii do przejażdżek śmierci, jest znana jako uwięzienie magnetyczne - proces, w którym gorąca plazma wodorowa jest utrzymywana na miejscu przez pole magnetyczne.
Ta metoda prawdopodobnie posłuży jako prototyp dla pierwszych komercyjnych reaktorów termojądrowych. Obecnie najbardziej zaawansowanym projektem tego typu jest Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (ITER). W 2006 roku kilka krajów (w tym Unia Europejska, Stany Zjednoczone, Chiny, Japonia, Korea, Rosja i Indie) zdecydowało się na budowę takiego reaktora w Cadarache w południowej Francji. W nim wodór należy podgrzać do 100 milionów stopni Celsjusza. Niewykluczone, że ITER stanie się pierwszym w historii reaktorem termojądrowym, który będzie w stanie wytwarzać więcej energii niż zużywa. Ma wytworzyć 500 MW mocy w 500 sekund (obecny rekord to 16 MW w ciągu jednej sekundy). Planuje się, że pierwsza plazma zostanie wyprodukowana w ITER do 2016 roku,a instalacja będzie w pełni operacyjna w 2022 r. Wartość projektu wynosi 12 miliardów dolarów i jest trzecim najdroższym projektem naukowym w historii (po Projekcie Manhattan i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej).
Z wyglądu instalacja ITER wygląda jak duży pączek, opleciony z zewnątrz ogromnymi pierścieniami uzwojenia elektrycznego; W pączku krąży wodór. Uzwojenie jest schładzane do stanu nadprzewodnictwa, a następnie wpompowuje się do niego ogromną ilość energii elektrycznej, tworząc pole magnetyczne, które utrzymuje plazmę wewnątrz pączka. Gdy prąd elektryczny przepływa bezpośrednio przez pączek, znajdujący się w nim gaz nagrzewa się do gwiazdowych temperatur.
Powód, dla którego naukowcy są tak zainteresowani projektem ITER, jest prosty: w dłuższej perspektywie obiecuje on tworzenie tanich źródeł energii. Reaktory termojądrowe są zasilane zwykłą wodą morską bogatą w wodór. Okazuje się, przynajmniej na papierze, że synteza termojądrowa może nam zapewnić tanie i niewyczerpane źródło energii.
Dlaczego więc nie mamy nadal reaktorów termojądrowych? Dlaczego to już kilkadziesiąt lat - od momentu w latach pięćdziesiątych XX wieku. opracowano diagram procesu - czy nie możemy uzyskać rzeczywistych wyników? Problem w tym, że paliwo wodorowe jest niezwykle trudne do równomiernego sprężenia. W jądrach gwiazd grawitacja zmusza wodór do przyjęcia idealnego kulistego kształtu, w wyniku czego gaz nagrzewa się równomiernie i czysto.
Laserowa fuzja termojądrowa w NIF wymaga, aby wiązki lasera, które zapalają powierzchnię kuli wodorowej, były dokładnie takie same, co jest niezwykle trudne do osiągnięcia. W instalacjach z ograniczeniem magnetycznym fakt, że pole magnetyczne ma bieguny północne i południowe, odgrywa ważną rolę; w rezultacie niezwykle trudno jest równomiernie skompresować gaz do właściwej kuli.
Najlepsze, co możemy stworzyć, to pole magnetyczne w kształcie pączka. Ale proces sprężania gazu przypomina ściskanie balonu w dłoniach. Za każdym razem, gdy ściskasz piłkę z jednego końca, powietrze wypycha ją w inne miejsce. Uciśnięcie piłki jednocześnie i równomiernie we wszystkich kierunkach nie jest łatwym zadaniem. Gorący gaz zwykle wycieka z butelki magnetycznej; prędzej czy później dociera do ścian reaktora, a proces syntezy termojądrowej ustaje. Dlatego tak trudno jest wystarczająco wycisnąć wodór i utrzymać go w stanie sprężonym nawet przez sekundę.
W przeciwieństwie do nowoczesnych elektrowni jądrowych, w których następuje rozszczepienie atomów, reaktor termojądrowy nie będzie wytwarzał dużej ilości odpadów jądrowych. (Każdy z tradycyjnych bloków jądrowych produkuje rocznie 30 ton wyjątkowo niebezpiecznych odpadów jądrowych. Z kolei odpady jądrowe z reaktora termojądrowego będą w większości składać się ze stali radioaktywnej, która pozostanie po jego demontażu).
Nie należy mieć nadziei, że synteza termojądrowa w najbliższej przyszłości całkowicie rozwiąże problemy energetyczne Ziemi. Francuz Pierre-Gilles de Gennes, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, mówi: „Mówimy, że umieścimy słońce w pudełku. Dobry pomysł. Problem w tym, że nie wiemy, jak zrobić to pudełko”. Jednak naukowcy mają nadzieję, że jeśli wszystko pójdzie dobrze, za czterdzieści lat ITER pomoże naukowcom utorować drogę do komercyjnej produkcji energii termojądrowej - energii, która pewnego dnia mogłaby dostarczać energię elektryczną do naszych domów. Być może pewnego dnia reaktory termojądrowe pozwolą nam na Ziemi bezpiecznie korzystać z energii gwiazdowej, a tym samym złagodzić nasze problemy energetyczne. Ale nawet magnetycznie ograniczone reaktory termojądrowe nie będą w stanie zasilić broni takiej jak Gwiazda Śmierci. Będzie to wymagało zupełnie nowych rozwiązań.
Lasery rentgenowskie pompowane jądrowo
Jest jeszcze jedna możliwość zbudowania działka laserowego Gwiazdy Śmierci w oparciu o dzisiejszą technologię - przy użyciu bomby wodorowej. Bateria laserów rentgenowskich, wykorzystująca i skupiająca moc broni jądrowej, mogłaby teoretycznie dostarczyć wystarczającą ilość energii do uruchomienia urządzenia zdolnego do zdetonowania całej planety.
Reakcje jądrowe uwalniają około 100 milionów razy więcej energii na jednostkę masy niż reakcje chemiczne. Kawałek wzbogaconego uranu, nie większy niż piłka tenisowa, wystarczyłby do spalenia całego miasta w wichrze ognia, mimo że tylko 1% masy uranu zamienia się w energię. Jak powiedzieliśmy, istnieje wiele sposobów pompowania energii do płynu roboczego lasera, a tym samym do wiązki laserowej. Najpotężniejsza z tych metod - o wiele potężniejsza niż jakakolwiek inna - polega na wykorzystaniu energii bomby atomowej.
Lasery rentgenowskie mają ogromne znaczenie, zarówno wojskowe, jak i naukowe. Bardzo krótka długość fali promieniowania rentgenowskiego pozwala na wykorzystanie takich laserów do sondowania na odległościach atomowych i rozszyfrowania struktury atomowej złożonych cząsteczek, co jest niezwykle trudne do wykonania konwencjonalnymi metodami. Możliwość „zobaczenia” atomów w ruchu i rozróżnienia ich położenia w cząsteczce sprawia, że patrzymy na reakcje chemiczne w zupełnie nowy sposób.
Bomba wodorowa emituje ogromne ilości energii w postaci promieni rentgenowskich, więc lasery rentgenowskie mogą być zasilane energią wybuchu jądrowego. W nauce lasery rentgenowskie są najściślej związane z Edwardem Tellerem, „ojcem” bomby wodorowej.
Nawiasem mówiąc, w latach pięćdziesiątych był to Teller. zeznał przed Kongresem, że Robertowi Oppenheimerowi, który wcześniej kierował Projektem Manhattan, nie można było powierzyć dalszych prac nad bombą wodorową ze względu na jego poglądy polityczne. Zeznanie Tellera doprowadziło do zniesławienia Oppenheimera i odmowy dostępu do tajnych materiałów; wielu wybitnych fizyków nigdy nie było w stanie wybaczyć Tellerowi tego.
(Moje własne kontakty z Tellerem rozpoczęły się w liceum. Następnie przeprowadziłem serię eksperymentów nad naturą antymaterii, zdobyłem główną nagrodę na targach naukowych w San Francisco i wycieczkę na Krajowe Targi Nauki w Albuquerque w Nowym Meksyku. Razem z Tellerem, który zawsze zwracał uwagę na utalentowanych młodych fizyków, brałem udział w lokalnym programie telewizyjnym, a później otrzymałem stypendium inżynierskie od Tellera im. Hertza, które pomogło mi opłacić studia na Harvardzie. Kilka razy w roku jeździłem do domu Tellera w Berkeley i tam bliżej poznał jego rodzinę.)
Zasadniczo laser rentgenowski Teller to mała bomba jądrowa otoczona miedzianymi prętami. Eksplozja broni jądrowej generuje sferyczną falę uderzeniową o intensywnym promieniowaniu rentgenowskim. Te wysokoenergetyczne wiązki przechodzą przez miedziane pręty, które działają jak płyn roboczy lasera i skupiają energię promieniowania rentgenowskiego w potężne wiązki. Powstałe promienie X można następnie skierować na głowice wroga. Oczywiście takie urządzenie może być użyte tylko raz, ponieważ eksplozja jądrowa spowodowałaby samozniszczenie lasera rentgenowskiego.
Pierwszy test lasera rentgenowskiego, nazwany testem Cabra (Cabra), został przeprowadzony w 1983 r. W podziemnej kopalni zdetonowano bombę wodorową, a następnie losowy strumień promieni rentgenowskich został skupiony i przekształcony w spójną wiązkę lasera rentgenowskiego. Początkowo testy zakończyły się sukcesem; w rzeczywistości to sukces w 1983 r. zainspirował prezydenta Reagana do historycznego oświadczenia o zamiarze zbudowania tarczy obronnej z Gwiezdnych Wojen. W ten sposób uruchomiono wart wiele miliardów dolarów program budowy sieci urządzeń, takich jak napompowane jądrowo lasery rentgenowskie, do zestrzeliwania wrogich międzykontynentalnych rakiet balistycznych. Prace nad tym programem trwają do dziś. (Później okazało się, że czujnik przeznaczony do rejestracji i pomiaru promieniowania podczas historycznego testu,został zniszczony; w związku z tym jego świadectwu nie można było ufać).
Czy naprawdę możliwe jest zestrzelenie głowic rakiet balistycznych za pomocą tak nietrywialnego urządzenia? Nie jest wykluczone. Nie należy jednak zapominać, że wróg może wymyślić wiele prostych i niedrogich sposobów zneutralizowania takiej broni (na przykład można oszukać radar, wystrzeliwując miliony tanich wabików; lub sprawić, by głowica obróciła się, aby rozproszyć promieniowanie rentgenowskie w ten sposób; lub wymyślić powłokę chemiczną, która chroniłby głowicę przed promieniowaniem rentgenowskim). Ostatecznie wróg mógłby po prostu masowo wyprodukować głowice, które przebiłyby tarczę Gwiezdnych Wojen po prostu kosztem ich liczby.
Dlatego lasery rentgenowskie napędzane energią jądrową nie są obecnie w stanie chronić przed atakami rakietowymi. Ale czy na ich podstawie można stworzyć Gwiazdę Śmierci zdolną do zniszczenia całej planety lub stać się skutecznym środkiem obrony przed zbliżającą się asteroidą?
Fizyka Gwiazdy Śmierci
Czy można stworzyć broń zdolną do zniszczenia całej planety, jak w Gwiezdnych Wojnach? W teorii odpowiedź jest prosta: tak. I na kilka sposobów.
Nie ma żadnych fizycznych ograniczeń co do energii uwalnianej w wyniku detonacji bomby wodorowej. Tak to się dzieje. (Szczegółowy opis bomby wodorowej nawet dzisiaj jest klasyfikowany przez rząd Stanów Zjednoczonych jako najwyższa kategoria tajemnicy, ale ogólnie jej urządzenie jest dobrze znane). Bomba wodorowa jest wytwarzana w kilku etapach. Łącząc odpowiednią liczbę etapów we właściwej kolejności, możesz uzyskać bombę atomową o niemal dowolnej z góry określonej mocy.
Pierwszy stopień to standardowa bomba atomowa lub bomba atomowa; wykorzystuje energię uranu-235 do wytworzenia rozbłysku rentgenowskiego, jak to miało miejsce w Hiroszimie. Na ułamek sekundy przed eksplozją bomby atomowej, która rozsadziła wszystko na strzępy, pojawia się rozszerzająca się kula o silnym impulsie rentgenowskim. To promieniowanie wyprzedza rzeczywistą eksplozję (ponieważ porusza się z prędkością światła); udaje im się go ponownie skupić i wysłać do pojemnika z deuterkiem litu, substancją czynną bomby wodorowej. (Dokładny sposób, w jaki to się robi, pozostaje tajemnicą państwową.) Promienie rentgenowskie padają na deuterek litu, powodując jego natychmiastowe zapadnięcie się i nagrzanie do milionów stopni, powodując drugą eksplozję, znacznie silniejszą niż pierwsza. Wybuch promieniowania rentgenowskiego będący wynikiem tej drugiej eksplozjimożesz wtedy ponownie skupić się na drugiej partii deuterku litu i spowodować trzecią eksplozję. Oto zasada, dzięki której można ustawić obok siebie wiele pojemników z deuterkiem litu i uzyskać bombę wodorową o niewyobrażalnej mocy. Tak więc najpotężniejszą bombą w historii ludzkości była dwustopniowa bomba wodorowa, która została zdetonowana w 1961 roku przez Związek Radziecki. Potem nastąpiła eksplozja o pojemności 50 milionów ton trotylu, chociaż teoretycznie ta bomba była w stanie dać moc ponad 100 megaton trotylu (czyli około 5000 razy więcej niż moc bomby zrzuconej na Hiroszimę).najpotężniejszą bombą w historii ludzkości była dwustopniowa bomba wodorowa, która została zdetonowana w 1961 roku przez Związek Radziecki. Potem nastąpiła eksplozja o pojemności 50 milionów ton ekwiwalentu TNT, chociaż teoretycznie ta bomba była w stanie dać moc ponad 100 megaton trotylu (czyli około 5000 razy więcej niż moc bomby zrzuconej na Hiroszimę).najpotężniejszą bombą w historii ludzkości była dwustopniowa bomba wodorowa, która została zdetonowana w 1961 roku przez Związek Radziecki. Potem nastąpiła eksplozja o pojemności 50 milionów ton ekwiwalentu TNT, chociaż teoretycznie ta bomba była w stanie dać moc ponad 100 megaton trotylu (czyli około 5000 razy więcej niż moc bomby zrzuconej na Hiroszimę).
Jednak do zapalenia całej planety potrzebne są zupełnie inne moce. Aby to zrobić, Gwiazda Śmierci musiałaby wystrzelić w kosmos tysiące takich laserów rentgenowskich, które następnie musiałyby być wystrzelone jednocześnie. (Dla porównania, w szczytowym okresie zimnej wojny Stany Zjednoczone i Związek Radziecki zgromadziły po około 30 000 bomb atomowych). Łączna energia tak ogromnej liczby laserów rentgenowskich wystarczyłaby do zapalenia powierzchni planety. Dlatego Imperium Galaktyczne przyszłości, odległe od nas o setki tysięcy lat, mogłoby oczywiście stworzyć taką broń.
W przypadku wysoko rozwiniętej cywilizacji istnieje inny sposób: stworzenie Gwiazdy Śmierci, która wykorzystywałaby energię kosmicznego źródła błysków gamma. Z takiej Gwiazdy Śmierci emanowałby wybuch promieniowania, ustępujący pod względem mocy tylko Wielkiemu Wybuchowi. Źródła błysków gamma są zjawiskiem naturalnym, istnieją w kosmosie; niemniej jednak można sobie wyobrazić, że pewnego dnia zaawansowana cywilizacja może okiełznać ich ogromną energię. Możliwe, że jeśli przejmiesz kontrolę nad rotacją gwiazdy na długo przed jej zapadnięciem się i narodzinami hipernowej, wtedy będzie można skierować „strzał” źródła błysków gamma w dowolne miejsce w przestrzeni.
Źródła błysków gamma
Kosmiczne źródła GRB zostały po raz pierwszy zauważone w latach 70. na satelitach Vela wystrzelonych przez satelity wojskowe USA, zaprojektowanych do wykrywania „dodatkowych błysków” - dowodów nielegalnej eksplozji bomby atomowej. Jednak zamiast rozbłysków na powierzchni Ziemi, satelity wykryły gigantyczne rozbłyski promieniowania z kosmosu. Pierwsze niespodziewane odkrycie wywołało panikę w Pentagonie: czy Sowieci testują nową broń jądrową w kosmosie? Później odkryto, że wybuchy pochodzą równomiernie ze wszystkich kierunków sfery niebieskiej; oznaczało to, że faktycznie przybywali do galaktyki Drogi Mlecznej z zewnątrz. Jeśli jednak przyjmiemy prawdziwie pozagalaktyczne pochodzenie rozbłysków, wówczas ich moc okaże się prawdziwie astronomiczna - w końcu są one w stanie „oświetlić” cały widzialny wszechświat.
Po upadku Związku Radzieckiego w 1990 roku Pentagon nieoczekiwanie odtajnił ogromną ilość danych astronomicznych. Astronomowie byli zdumieni. Nagle zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z nowym tajemniczym zjawiskiem od tych, którzy są zmuszani od czasu do czasu do przepisywania podręczników i podręczników.
Czas trwania rozbłysków gamma jest krótki i wynosi od kilku sekund do kilku minut, dlatego do ich wykrywania i analizowania potrzebny jest starannie zorganizowany system czujników. Najpierw satelity rejestrują wybuch promieniowania gamma i wysyłają dokładne współrzędne źródła na Ziemię. Uzyskane współrzędne są przesyłane do teleskopów optycznych lub radioteleskopów, które z kolei celują w określony punkt w sferze niebieskiej.
Chociaż w tej chwili nie wszystko wiadomo o rozbłyskach gamma, jedna z teorii ich pochodzenia głosi, że źródłem rozbłysków gamma są „hipernowe” o niezwykłej sile, pozostawiające po sobie masywne czarne dziury. W tym przypadku okazuje się, że źródłem rozbłysków gamma są potworne czarne dziury w fazie powstawania.
Ale czarne dziury emitują dwa dżety, dwa strumienie promieniowania, z bieguna południowego i z północy, jak wirująca góra. Emisja wyładowań gamma, które rejestrujemy, należy oczywiście do jednego z tych strumieni - tego, który okazał się skierowany w stronę Ziemi. Gdyby strumień promieniowania gamma z takiego źródła kierował się dokładnie na Ziemię, a samo źródło znajdowało się w naszym galaktycznym sąsiedztwie (w odległości kilkuset lat świetlnych od Ziemi), jego moc wystarczyłaby do całkowitego zniszczenia życia na naszej planecie.
Po pierwsze, impuls elektromagnetyczny wytworzony przez promieniowanie rentgenowskie ze źródła błysków gamma wyłączyłby cały sprzęt elektroniczny na Ziemi. Silna wiązka promieni rentgenowskich i promieniowania gamma mogłaby spowodować nieodwracalne szkody w ziemskiej atmosferze, niszcząc ochronną warstwę ozonową. Wówczas strumień promieni gamma ogrzałby powierzchnię Ziemi, powodując potworne burze ogniowe, które ostatecznie pochłonęłyby całą planetę. Być może źródło rozbłysków gamma nie wysadziłoby planety, jak pokazano w filmie „Gwiezdne wojny”, ale z pewnością zniszczyłoby całe życie na niej, pozostawiając zwęgloną pustynię.
Można przypuszczać, że cywilizacja, która wyprzedziła nas w rozwoju o setki milionów lat, nauczy się kierować takie czarne dziury do pożądanego celu. Można to osiągnąć, ucząc się kontrolować ruch planet i gwiazd neutronowych i kierować je na umierającą gwiazdę pod precyzyjnie obliczonym kątem tuż przed zapadnięciem się. Wystarczy stosunkowo niewielki wysiłek, aby odchylić oś obrotu gwiazdy i skierować ją w żądanym kierunku. Wtedy umierająca gwiazda zmieni się w największe, jakie można sobie wyobrazić.
Podsumować. Użycie potężnych laserów do tworzenia przenośnych lub ręcznych broni laserowych i mieczy świetlnych powinno zostać zaklasyfikowane jako niemożliwość I klasy - najprawdopodobniej stanie się to możliwe w najbliższej przyszłości lub powiedzmy w ciągu najbliższych stu lat. Ale niezwykle trudne zadanie wycelowania obracającej się gwiazdy przed eksplozją i przekształcenia jej w czarną dziurę, czyli przekształcenie jej w Gwiazdę Śmierci, należy uznać za niemożliwość II klasy - coś, co nie zaprzecza wyraźnie prawom fizyki (w końcu źródła błysków gamma istnieją w rzeczywistości), ale można je zrealizować dopiero w odległej przyszłości, po tysiącach, a nawet milionach lat.
Z książki: „Fizyka niemożliwego”.