Death Star er et kolossalt våpen på størrelse med en god måne. Å skyte blankt på den forsvarsløse planeten Alderaan, hjemlandet til prinsesse Leia, ødelegger Death Star det fullstendig. Planeten forsvinner i flammene av en titanisk eksplosjon, og sprer rusk gjennom solsystemet. En milliard sjeler skriker samtidig i smerte og forårsaker opprør i styrken som kjennes hvor som helst i galaksen.
Men er et våpen som Death Star fra Star Wars-filmen virkelig mulig? Er det mulig å organisere og dirigere et batteri med laserkanoner slik at en hel planet fordamper som et resultat? Hva med de berømte lyssabelene som Luke Skywalker og Darth Vader brukte, som er en lysstråle, men som lett kan skjære gjennom pansret stål? Vil rayguns, som fasene i Star Trek, bli det rette våpenet for fremtidige generasjoner av politi og soldater?
De nye, originale og forbløffende Star Wars-spesialeffektene gjorde et overbevisende inntrykk på millioner av seere, men kritikerne hadde en annen oppfatning. Noen av dem hevdet at ja, selvfølgelig, filmskaperne oppriktig prøvde å underholde seeren, men faktisk er slike ting helt umulige. Kritikere er aldri lei av å gjenta som en besvergelse: strålekanoner på størrelse med månen, som er i stand til å blåse en hel planet i små biter, er noe uhørt; sverd fra en plutselig størkende lysstråle er også umulig. Alt dette er for mye selv for en fjern, fjern galakse. Denne gangen gled George Lucas, den anerkjente mesteren for spesialeffekter, litt.
Det kan være vanskelig å tro, men en ubegrenset mengde energi kan "stappes" i en lysstråle; det er ingen fysiske begrensninger. Opprettelsen av en Death Star eller lyssabel strider ikke mot noen fysikklover. Videre eksisterer stråler av gammastråling som er i stand til å sprenge planeten faktisk i naturen. En titanisk utbrudd av stråling, generert av en fjern mystisk kilde til gammastråleskurer, er i stand til å skape en eksplosjon i det dype rommet, den andre bare i kraft til selve Big Bang. Enhver planet som klarer å være i sikte på en slik "pistol" vil faktisk bli stekt eller revet i stykker.
Beam våpen i historien
Drømmen om å utnytte strålingsenergi er egentlig ikke ny; dens røtter går tilbake til gammel religion og mytologi. Den greske guden Zeus er kjent for å skyte dødelige med lyn. Den nordlige guden Thor brukte en magisk hammer, Mjellnir, som var i stand til å kaste lyn, og den hinduiske guden Indra skjøt en energistråle fra et magisk spyd.
Ideen om strålen som et virkelig praktisk våpen dukket først opp i verkene til den store greske matematikeren Archimedes, kanskje den største forskeren i antikken, som klarte å utvikle sin egen versjon av primitiv differensialregning to tusen år før Newton og Leibniz. Det antas at i den legendariske slaget i 214 f. Kr. mot troppene til den romerske generalen Marcellus under den andre puniske krigen, Archimedes, som hjalp til med å forsvare Syracuse-kongeriket, bygde et stort batteri med solreflektorer, fokuserte solstrålene på seilene til fiendens skip og dermed satte dem i brann. (Forskere diskuterer fortsatt om et slikt bjelkevåpen faktisk kan fungere. Flere grupper av forskere har forsøkt å replikere denne prestasjonen med varierende resultater.)
Kampanjevideo:
Strålevåpen traff sidene av science fiction i 1889 med HG Wells 'klassiske War of the Worlds. I denne romanen ødela romvesener fra Mars hele byene ved å lede bjelker med termisk energi fra kanoner montert på stativene til dem. Under andre verdenskrig eksperimenterte også nazistene, alltid klar til å undersøke og vedta de nyeste teknologiske fremskrittene for å bruke dem til å erobre verden, med forskjellige typer strålepistoler, inkludert akustiske enheter som fokuserte kraftige lydstråler ved hjelp av parabolske speil.
Våpenet, som er en fokusert lysstråle, fanget publikums fantasi etter utgivelsen av James Bond-filmen Goldfinger; det var den første Hollywood-filmen som hadde en laser. (I den ble den legendariske britiske spionen bundet til et metallbord, og en kraftig laserstråle nærmet seg sakte, smeltet gradvis bordet mellom bena og truet med å kutte helten i to.)
Opprinnelig lo fysikere bare av ideen om strålevåpen, uttrykt i Wells 'roman, fordi slike våpen brøt de kjente lovene om optikk. I følge Maxwells ligninger er lyset vi ser rundt oss usammenhengende (dvs. det er et virvar av bølger med forskjellige frekvenser og faser) og forsvinner raskt. En gang ble det antatt at en sammenhengende, fokusert, ensartet lysstråle - som en laserstråle - var umulig å oppnå.
Quantum revolusjon
Alt endret seg etter at kvanteteorien kom. Allerede på begynnelsen av XX-tallet. det ble klart at selv om Newtons lover og Maxwells ligninger meget vellykket beskriver planetenes bevegelse og lysets oppførsel, er det en hel klasse fenomener som de ikke kan forklare. Dessverre sa de ikke noe om hvorfor materialer leder elektrisitet, hvorfor metaller smelter ved visse temperaturer, hvorfor gasser avgir lys når de varmes opp, hvorfor noen stoffer ved lave temperaturer får superledningsevne. For å svare på noen av disse spørsmålene, må du forstå atommers interne dynamikk. Revolusjonen er moden. Newtonske fysikk ventet etter 250 års dominans; samtidig skulle sammenbruddet av det gamle idolet varslet begynnelsen på arbeidssmerter for den nye fysikken.
I 1900 foreslo Max Planck i Tyskland at energi ikke er kontinuerlig, som Newton mente, men eksisterer i form av små diskrete "porsjoner" kalt "quanta". Så, i 1905, postulerte Einstein at lys også er sammensatt av disse små, diskrete pakkene (eller kvanta), senere kalt fotoner. Med denne enkle, men kraftige ideen, klarte Einstein å forklare den fotoelektriske effekten, nemlig hvorfor metaller, når de bestråles med lys, avgir elektroner. I dag er den fotoelektriske effekten og fotonet grunnlaget for TV, lasere, solcellepaneler og mye av moderne elektronikk. (Einsteins teori om fotonet var så revolusjonerende at til og med Max Planck, som vanligvis ivrig støttet Einstein, først ikke kunne tro på det. Planck skrev om Einstein:”Faktumat han noen ganger savner … som han for eksempel gjorde med hypotesen om lyskvanta, man kan ikke med all samvittighet klandre ham. ")
Så i 1913 ga den danske fysikeren Niels Bohr oss et helt nytt bilde av atomet; Bohrs atom lignet et miniatyr solsystem. Men i motsetning til det virkelige solsystemet kan elektroner i et atom bare bevege seg rundt kjernen innenfor diskrete baner eller skall. Når et elektron "hopper" fra et skall til et annet, som er nærmere kjernen og har mindre energi, avgir det et foton av energi. Omvendt, når et elektron absorberer et foton med en viss energi, "hopper" det høyere, til et skall som er lenger fra kjernen og har mer energi.
I 1925, med tilkomst av kvantemekanikk og det revolusjonerende arbeidet til Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg og mange andre, ble en nesten komplett teori om atomet født. I følge kvanteteorien var elektronen en partikkel, men den hadde også en tilhørende bølge, som ga den både egenskapene til en partikkel og en bølge. Denne bølgen fulgte den såkalte Schrodinger-bølgeligning, som gjorde det mulig å beregne atomets egenskaper, inkludert alle "hoppene" til elektroner postulert av Bohr.
Fram til 1925 ble atomer ansett som mystiske gjenstander; mange, som filosofen Ernst Mach, trodde ikke i det hele tatt på deres eksistens. Etter 1925 hadde mennesket muligheten til ikke bare å se dypt inn i atomets dynamikk, men også å forutsi dens egenskaper ganske pålitelig. Overraskende betydde dette at man med en tilstrekkelig kraftig datamaskin for hånden kunne utlede egenskapene til kjemiske elementer direkte fra kvanteteoriets lover. Akkurat som Newtons fysikk, med en tilstrekkelig stor datamaskin, ville tillate forskere å beregne bevegelsen til alle himmellegemer i universet, gjorde kvantefysikk ifølge forskere i prinsippet mulig å beregne alle egenskapene til de kjemiske elementene i universet. I tillegg har du en tilstrekkelig kraftig datamaskin,man kunne komponere hele menneskets bølgefunksjon.
Masere og lasere
I 1953 klarte professor Charles Townes ved University of California i Berkeley sammen med kollegene å oppnå den første strålen av sammenhengende stråling, nemlig mikrobølger. Enheten ble kalt en maser (maser - etter de første bokstavene i ordene med uttrykket "mikrobølgeforsterkning gjennom stimulert utstråling av stråling", dvs. "forsterkning av mikrobølger gjennom stimulering av stråling.") Senere, i 1964, Townes, sammen med russiske fysikere Nikolai Basov og Alexander Prokhorov mottok Nobelprisen. Snart ble forskernes resultater utvidet til synlig lys. Laseren ble født. (Phaser er derimot en fantastisk enhet gjort kjent av Star Trek.)
Grunnlaget for laseren er et spesielt medium som faktisk vil overføre laserstrålen; det kan være en spesiell gass, krystall eller diode. Da må du pumpe energi inn i dette miljøet utenfra - ved hjelp av elektrisitet, radiobølger, lys eller en kjemisk reaksjon. Den uventede tilstrømningen av energi begeistrer atomene i mediet, noe som får elektronene til å absorbere energi og hoppe på de ytre skallene med høyere energi.
I en slik opphisset, pumpet tilstand blir mediet ustabilt. Hvis det deretter sendes en lysstråle gjennom den, vil strålens fotoner som kolliderer med atomene føre til at en plutselig dump av elektroner senker banene og frigjøring av ytterligere fotoner. Disse fotonene vil i sin tur tvinge enda flere elektroner til å sende ut fotoner - og snart vil en kjedereaksjon av atomer "kollapse" til en uoppregnet tilstand begynne med nesten samtidig frigjøring av en enorm mengde fotoner - billioner og billioner av dem - alle i samme stråle. Det grunnleggende trekk ved denne prosessen er at i noen stoffer, med en skredlignende frigjøring, vibrerer alle fotoner i kor, det vil si at de er sammenhengende.
(Tenk deg dominobrikker stilt opp på rad. I den laveste energitilstanden ligger hver knoke flatt på bordet. I høyenergi, oppblåst tilstand, står knokene oppreist, som de oppblåste atomer i et medium. Ved å trykke på en knoke kan du forårsake en plutselig samtidig frigjøring av all denne energien, akkurat som det samme som det skjer når laserstrålen blir født.)
Bare noen få materialer kan arbeide i en laser; dette betyr at bare i spesielle stoffer når et foton kolliderer med et eksitert atom, sendes det ut et foton som er sammenhengende med det første. Denne egenskapen til materie fører til at alle fotonene i den fremvoksende strømmen vibrerer sammen, og skaper en tynn laserstråle. (I motsetning til populær legende forblir ikke laserstrålen alltid så tynn som helt i begynnelsen. For eksempel vil en laserstråle som skyves inn i månen gradvis utvide seg underveis og gi et sted flere kilometer i størrelse på overflaten av månen.)
En enkel gasslaser er et rør fylt med en blanding av helium og neon. Når elektrisitet føres gjennom røret, absorberer atomene energi og blir begeistret. Så, hvis det plutselig frigjøres all energien som er lagret i gassen, blir en stråle av sammenhengende lys født. Denne strålen forsterkes av to speil installert i begge ender av røret, slik at strålen reflekteres fra dem i sin tur og suser langs røret fra side til side. Det ene speilet er helt ugjennomsiktig, men det andre overfører en liten brøkdel av det innfallende lyset, og frigjør dermed strålen utover.
I dag finnes lasere overalt - i matbutikkens kasseapparat, i den fiberoptiske kabelen som gir deg tilgang til Internett, i en laserskriver eller CD-spiller og i en moderne datamaskin. Lasere brukes i øyekirurgi, fjerning av tatoveringer og til og med i skjønnhetssalonger. I 2004 ble lasere solgt over hele verden for mer enn 5,4 milliarder dollar.
Typer lasere og deres funksjoner
Nye lasere blir oppdaget nesten hver dag nå; som regel snakker vi om oppdagelsen av et nytt stoff som kan fungere i en laser, eller oppfinnelsen av en ny metode for å pumpe energi inn i arbeidsfluidet.
Spørsmålet er, er disse teknologiene egnet til å lage strålepistoler eller lyssabel? Kan du bygge en laser som er stor nok til å drive Death Star? I dag er det et svimlende utvalg av lasere som kan klassifiseres i henhold til materialet i arbeidsfluidet og måten pumpes energi på (det kan være strøm, en kraftig lysstråle, til og med en kjemisk eksplosjon). Vi lister opp flere typer lasere.
• Gasslasere. Denne kategorien inkluderer også de ekstremt vanlige heliumneonlaserne, som produserer en veldig kjent rød stråle. De pumpes opp med radiobølger eller strøm. Helium-neon-lasere har lite strøm. Men karbondioksidgasslasere kan brukes til sprengningsoperasjoner, til skjæring og smelting av metaller i tung industri; de er i stand til å gi en ekstremt kraftig og helt usynlig stråle;
• Kjemiske lasere. Disse kraftige laserne blir ladet av kjemiske reaksjoner som forbrenning av etylen og nitrogentrifluorid NF3. Disse laserne er kraftige nok til å brukes i det militære feltet. I USA brukes det kjemiske pumpeprinsippet i luft- og bakkekamplasere som er i stand til å levere en stråle på millioner watt og er designet for å skyte ned kortdistanseraketter under flytur.
• Excimer-lasere. Disse laserne får også sin energi fra en kjemisk reaksjon, som vanligvis involverer en inert gass (dvs. argon, krypton eller xenon) og en slags fluor eller klorid. De avgir ultrafiolett lys og kan brukes i elektronikkindustrien til å etse små transistorer på halvlederflis og i øyeoperasjoner for delikate Lasik-operasjoner.
• Halvlederlasere. Diodene vi bruker så mye i alle slags elektroniske enheter kan produsere kraftige laserstråler som brukes i skjære- og sveiseindustrien. Disse samme halvlederlaserne fungerer også i kassaapparater og leser strekkoder fra de valgte produktene dine.
• Fargelasere. Disse laserne bruker organiske fargestoffer som arbeidsmedium. De er ekstremt nyttige for å generere ultrakorte lyspulser, som ofte er i størrelsesorden en billiontedel av et sekund.
Lasere og strålepistoler?
Gitt det enorme utvalget av kommersielle lasere og kraften til militære lasere, er det vanskelig å ikke lure på hvorfor vi ikke har strålepistoler og kanoner som er egnet til bruk på slagmarken? I science fiction-filmer pleier strålepistoler og pistoler av en eller annen art å være de vanligste og mest kjente våpnene. Hvorfor jobber vi ikke med et slikt våpen?
Det enkle svaret på dette spørsmålet er at vi ikke har tilstrekkelige bærbare strømkilder. Dette er ikke bagatell. Bjelkevåpen vil kreve miniatyrbatterier, størrelsen på en håndflate, men som samsvarer med kraften til et stort kraftverk. Foreløpig er den eneste måten å få kraften til et stort kraftverk til bruk å bygge et. Og den minste militære enheten som kan tjene som en beholder for slike energier er en miniatyrhydrogenbombe, som dessverre ikke bare kan ødelegge målet, men deg selv.
Det er også et annet problem - stabiliteten til det emitterende stoffet, eller arbeidsfluidet. I teorien er det ingen grense for hvor mye energi som kan pumpes inn i en laser. Men problemet er at arbeidskroppen til en håndholdt laserpistol ville være ustabil. Krystalllasere overopphetes for eksempel og sprekker hvis du pumper for mye energi inn i dem. Derfor kan det kreve eksplosiv energi å lage en ekstremt kraftig laser - en som kan fordampe et objekt eller nøytralisere en fiende. I dette tilfellet kan man naturligvis ikke lenger tenke på arbeidsfluidens stabilitet, fordi laseren vår vil være engangsbruk.
Problemer med opprettelsen av bærbare strømkilder og stabile emitterende materialer gjør eksistensen av strålepistoler umulig med den nåværende teknikken. Generelt kan du bare lage en strålepistol hvis du tar en kabel til den fra en strømkilde. Kanskje ved bruk av nanoteknologi kan vi en dag være i stand til å lage miniatyrbatterier som kan lagre eller generere energi som ville være nok til å skape kraftige utbrudd - en nødvendig egenskap for håndholdte laservåpen. Foreløpig, som vi har sett, er nanoteknologi i sin barndom. Ja, forskere har klart å lage noen enheter på atomnivå - veldig geniale, men helt upraktiske, for eksempel atomramme eller atomgitar. Men det kan godt hende at hva annet i dette eller, si,i det neste århundre vil nanoteknologi virkelig gi oss miniatyrbatterier for lagring av fantastiske mengder energi.
Lyssabre har det samme problemet. Med utgivelsen av Star Wars i 1970 ble leketøysabber en øyeblikkelig hit med gutter. Mange kritikere anså det som sin plikt å påpeke at slike enheter i virkeligheten er umulige. For det første kan ikke lys stivnes. Lys beveger seg med lysets hastighet, så det er umulig å stivne det. For det andre kan en lysstråle ikke brå kuttes i rommet, slik lyssabel gjør i Star Wars. Lysstrålen kan ikke stoppes, den er alltid i bevegelse; en ekte lyssabel ville gå langt opp i himmelen.
Faktisk er det en måte å lage en slags lyssværd av plasma eller overopphetet ionisert gass. Hvis plasmaet blir oppvarmet tilstrekkelig, vil det forresten også gløde i mørket og kutte stål. En plasma-lyssabel kan være et tynt teleskoprør som strekker seg fra et håndtak.
Varmt plasma frigjøres i røret fra håndtaket, som deretter går ut gjennom små hull langs hele "bladet". Plasmaet stiger fra hiltet langs bladet og ut i en lang, glødende sylinder med overopphetet gass, varm nok til å smelte stål. En slik enhet kalles noen ganger en plasma-fakkel.
Dermed kan vi lage en høyenergianordning som ligner en lyssabel. Men her, som i situasjonen med strålepistoler, må du først anskaffe et kraftig bærbart batteri. Enten bruker du nanoteknologi til å lage et miniatyrbatteri som kan forsyne lyssabelen din med en enorm mengde energi, eller så må du koble den til en strømkilde ved hjelp av en lang kabel.
Så mens strålepistoler og lyssabel kan lages i en eller annen form i dag, er ikke håndvåpnene vi ser i sci-fi-filmer mulig med den nyeste teknikken. Men senere i dette århundret, eller kanskje i det neste, kan utviklingen av vitenskapen om materialer og nanoteknologi godt føre til opprettelsen av en eller annen type bjelkevåpen, som lar oss definere det som en klasse I umulighet.
Energi for dødsstjernen
For å bygge Death Star, en laserkanon som er i stand til å ødelegge en hel planet og bringe terror til galaksen, som vist i Star Wars, må du lage den kraftigste tenkelige laser. Foreløpig brukes de kraftigste lasere på jorden sannsynligvis for å oppnå temperaturer som i naturen bare kan bli funnet i stjernekjerner. Kanskje disse laserne og fusjonsreaktorene basert på dem en dag vil hjelpe oss på jorden med å utnytte stjernenergi.
I fusjonsreaktorer prøver forskere å reprodusere prosessene som foregår i rommet under dannelsen av en stjerne. Først fremstår stjernen som en enorm ball med uformet hydrogen. Da gravitasjonskrefter komprimerer gassen og derved varmer den opp; gradvis når temperaturen inni astronomiske verdier. For eksempel, dypt i hjertet av en stjerne, kan temperaturen stige til 50-100 millioner grader. Det er varmt nok til at hydrogenkjernene kan holde sammen; i dette tilfellet vises heliumkjerner og energi frigjøres. I ferd med å smelte helium fra hydrogen blir en liten del av massen omdannet til energi i henhold til Einsteins berømte formel E = mc2. Dette er kilden som stjernen henter energien fra.
Forskere prøver for tiden å utnytte energien til kjernefusjon på to måter. Begge banene viste seg å være mye vanskeligere å gjennomføre enn tidligere antatt.
Treghetsinneslutning for laserfusjon
Den første metoden er basert på den såkalte treghetsinneslutningen. Ved hjelp av de kraftigste lasere på jorden blir et stykke sol laget kunstig i laboratoriet. Solid state neodymglasslaseren er ideell for reproduksjon av de høyeste temperaturene som bare finnes i stjernekjerner. Eksperimentet bruker lasersystemer på størrelse med en god fabrikk; et batteri med lasere i et slikt system skyter en serie parallelle bjelker inn i en lang tunnel. Disse kraftige laserstrålene reflekteres deretter fra et system med små speil montert rundt det sfæriske volumet. Speil fokuserer nøyaktig alle laserstrålene og retter dem mot en liten ball med hydrogenrikt materiale (som litiumdeuterid, den aktive ingrediensen i en hydrogenbombe). Forskere bruker vanligvis en ball på størrelse med et nålhode og veier bare ca. 10 mg.
Laserblits varmer øyeblikkelig overflaten på ballen, noe som får stoffets øverste lag til å fordampe og ballen kollapser kraftig. Den "kollapser", og den resulterende sjokkbølgen når sitt sentrum og får temperaturen inne i ballen til å hoppe opp til millioner av grader - det nivået som er nødvendig for at fusjonen av hydrogenkerner danner heliumkjerner. Temperatur og trykk når slike astronomiske verdier at Lawson-kriteriet er oppfylt, det samme som også oppfylles i stjernekjerner og i eksplosjoner av hydrogenbomber. (Lawsons kriterium sier at visse nivåer av temperatur, tetthet og retensjonstid må nås for å utløse en termonukleær fusjonsreaksjon i en hydrogenbombe, stjerne eller reaktor.)
I prosessen med inerti-inneslutning termonukleær fusjon frigjøres en enorm mengde energi, inkludert i form av nøytroner. (Temperaturen på litiumdeuterid kan nå 100 millioner grader Celsius, og tettheten er tjue ganger så høy som bly.) Det kommer et utbrudd av nøytronstråling fra ballen. Nøytroner faller inn i et sfærisk "teppe" av materie som omgir reaktorkammeret og varmer det opp. Deretter blir den resulterende varmen brukt til å koke vann, og dampen kan allerede brukes til å rotere turbinen og generere elektrisitet.
Problemet er imidlertid å fokusere høynergistrålene og spre strålingen jevnt over overflaten av den lille kulen. Det første store forsøket på laserfusjon var Shiva, et tyve-stråles lasersystem bygget ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og ble lansert i 1978 (Shiva er den flerarmede gudinnen til det hinduistiske panteonet, som minner om et flerstrålelaser-system.) "Shiva" viste seg å være nedslående; likevel, med sin hjelp, var det mulig å bevise at laser termonuklear fusjon er teknisk mulig. Senere ble "Shiva" erstattet av "Nova" -laseren, som ti ganger overgikk "Shiva" i kraft. Men "Nova" var ikke i stand til å gi riktig tenning til hydrogenkulen. Men,begge disse systemene banet vei for målrettet forskning ved den nye National Ignition Facility (NIF), som ble startet på LLNL i 1997.
NIF forventes å begynne å jobbe i 2009. Denne uhyrlige maskinen er et batteri på 192 lasere, som produserer en enorm effekt på 700 billioner watt i en kort puls (den totale effekten på omtrent 70 000 store kjernekraftenheter). Det er et moderne lasersystem designet spesielt for fullstendig sammensmelting av hydrogen-mettede kuler. (Kritikere peker også på den åpenbare militære betydningen - tross alt er et slikt system i stand til å simulere prosessen med å detonere en hydrogenbombe; kanskje vil det skape en ny type atomvåpen - en bombe utelukkende basert på fusjonsprosessen, som ikke lenger krever en uran- eller plutonium-atomladning for å detonere.)
Men til og med NIF-systemet, designet for å sikre prosessen med termonuklear fusjon og innlemme de kraftigste lasere på jorden, kan ikke engang eksternt sammenligne med den destruktive kraften til Death Star, kjent for oss fra Star Wars. For å lage en slik enhet må vi lete etter andre energikilder.
Magnetisk inneslutning for fusjon
Den andre metoden som forskere i prinsippet kunne bruke for å stimulere Death Rides, er kjent som magnetisk inneslutning - prosessen der et varmt hydrogenplasma holdes på plass av et magnetfelt.
Denne metoden vil ganske muligens tjene som en prototype for de første kommersielle termonukleære reaktorene. For tiden er det mest avanserte prosjektet av denne typen International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). I 2006 bestemte flere land (inkludert EU, USA, Kina, Japan, Korea, Russland og India) å bygge en slik reaktor ved Cadarache i Sør-Frankrike. I den må hydrogen varmes opp til 100 millioner grader Celsius. Det er mulig at ITER blir den første fusjonsreaktoren i historien som vil kunne produsere mer energi enn den bruker. Den er designet for å produsere 500 MW effekt på 500 sekunder (nåværende rekord er 16 MW på ett sekund). Det er planlagt at det første plasmaet skal produseres på ITER innen 2016,og installasjonen vil være fullt operativ i 2022. Prosjektet er verdt 12 milliarder dollar og er det tredje dyreste vitenskapsprosjektet i historien (etter Manhattan-prosjektet og den internasjonale romstasjonen).
I utseende ser ITER-installasjonen ut som en stor smultring, flettet utenfra med store ringer av elektrisk vikling; hydrogen sirkulerer inne i smultringen. Oppviklingen blir avkjølt til en tilstand av superledningsevne, og deretter pumpes en enorm mengde elektrisitet inn i den, og skaper et magnetfelt som holder plasmaet inne i smultringen. Når en elektrisk strøm føres direkte gjennom smultringen, varmes gassen inn i den opp til fantastiske temperaturer.
Årsaken til at forskere er så interessert i ITER-prosjektet er enkel: i fremtiden lover den å lage billige energikilder. Fusjonsreaktorer drives av vanlig sjøvann, rik på hydrogen. Det viser seg, i det minste på papir, at termonukleær fusjon kan gi oss en billig og uuttømmelig energikilde.
Så hvorfor har vi ikke fortsatt fusjonsreaktorer? Hvorfor er det allerede flere tiår - siden øyeblikket på 1950-tallet. et prosessdiagram ble utviklet - kan vi ikke få reelle resultater? Problemet er at det er utrolig vanskelig å komprimere hydrogenbrensel jevnt. I stjernekjernene tvinger tyngdekraften hydrogenet til å anta en perfekt sfærisk form, slik at gassen varmes opp rent og jevnt.
Termonukleær laserfusjon i NIF krever at laserstrålene som antenner overflaten på hydrogenkulen er nøyaktig de samme, og dette er ekstremt vanskelig å oppnå. I installasjoner med magnetisk inneslutning spiller det faktum at magnetfeltet har nord- og sørpoler en viktig rolle; som et resultat er det ekstremt vanskelig å komprimere gassen jevnt i riktig sfære.
Det beste vi kan lage er et smultringformet magnetfelt. Men prosessen med å komprimere en gass er som å klemme en ballong i hendene. Hver gang du klemmer ballen fra den ene enden, skyver luften den ut et annet sted. Å komprimere ballen samtidig og jevnt i alle retninger er ikke en enkel oppgave. Den varme gassen lekker vanligvis ut av magnetflasken; før eller senere når den veggene i reaktoren, og prosessen med termonuklear fusjon stopper. Dette er grunnen til at det er så vanskelig å presse hydrogen nok og holde det komprimert selv i et sekund.
I motsetning til moderne atomkraftverk, der splittelse av atomer forekommer, vil en fusjonsreaktor ikke produsere en stor mengde atomavfall. (Hver av de tradisjonelle kjernekraftenhetene produserer 30 tonn ekstremt farlig atomavfall per år. I motsetning til dette vil atomavfallet fra en fusjonsreaktor hovedsakelig være radioaktivt stål, som vil forbli etter demontering.)
Man skal ikke håpe at termonukleær fusjon vil løse Jordens energiproblemer i nær fremtid. Franskmannen Pierre-Gilles de Gennes, nobelpristager i fysikk, sier: “Vi sier at vi vil sette solen i en boks. God idé. Problemet er at vi ikke vet hvordan vi skal lage denne boksen. Men forskerne håper at hvis alt går bra, vil ITER om førti år hjelpe forskere med å bane vei for kommersiell produksjon av termonuklear energi - energi som en dag kan gi strøm til hjemmene våre. En gang vil kanskje fusjonsreaktorer tillate oss på Jorden å trygt bruke stjernenergi og derved redusere våre energiproblemer. Men selv magnetisk begrensede termonukleære reaktorer vil ikke være i stand til å drive våpen som Death Star. Dette vil kreve helt nye utviklingstrekk.
Kjernepumpede røntgenlasere
Det er en annen mulighet for å bygge en Death Star-laserkanon basert på dagens teknologi - ved hjelp av en hydrogenbombe. Et batteri med røntgenlasere, som utnytter og fokuserer kraften til atomvåpen, kan i teorien gi nok kraft til å betjene en enhet som er i stand til å sprenge en hel planet.
Atomreaksjoner frigjør omtrent 100 millioner ganger mer energi per masseenhet enn kjemiske. Et stykke beriket uran ikke større enn en tennisball ville være nok til å brenne en hel by i en virvelvind av ild, til tross for at bare 1% av uranmassen blir omgjort til energi. Som vi sa, er det mange måter å pumpe energi inn i arbeidsfluiden til en laser, og dermed inn i laserstrålen. Den kraftigste av disse metodene - langt kraftigere enn noen av de andre - er å utnytte energien til en atombombe.
Røntgenlasere er av enorm betydning, både militære og vitenskapelige. Den veldig korte bølgelengden av røntgenstråling gjør det mulig å bruke slike lasere for å sondere på atomavstander og tyde atomstrukturen til komplekse molekyler, noe som er ekstremt vanskelig å gjøre med konvensjonelle metoder. Evnen til å "se" atomer i bevegelse og å skille mellom deres plassering i et molekyl får oss til å se på kjemiske reaksjoner på en helt ny måte.
En hydrogenbombe avgir en enorm mengde energi i form av røntgenstråler, slik at røntgenlasere kan pumpes med energien til en atomeksplosjon. I vitenskapen er røntgenlasere tettest forbundet med Edward Teller, "faren" til hydrogenbomben.
Forresten var det Teller på 1950-tallet. vitnet før kongressen om at Robert Oppenheimer, som tidligere ledet Manhattan-prosjektet, ikke kunne bli betrodd videre arbeid med hydrogenbomben på grunn av hans politiske synspunkter. Tellers vitnesbyrd resulterte i at Oppenheimer ble ærekrenket og nektet tilgang til klassifisert materiale; mange fremtredende fysikere har aldri klart å tilgi Teller for dette.
(Mine egne kontakter med Teller begynte på videregående. Jeg gjennomførte deretter en serie eksperimenter om antimaterie, vant hovedprisen på San Francisco Science Fair og en tur til National Science Fair i Albuquerque, New Mexico. Sammen med Teller, som alltid tok hensyn til talentfulle unge fysikere, deltok jeg i et lokalt TV-program. Senere fikk jeg et ingeniørstipend fra Teller oppkalt etter Hertz, som hjalp meg med å betale for studiene ved Harvard. Flere ganger i året dro jeg til Tellers hjem i Berkeley, og der ble kjent med familien hans nøye.)
I prinsippet er Teller røntgenlaser en liten kjernefysisk bombe omgitt av kobberstenger. Eksplosjonen av et atomvåpen genererer en sfærisk eksplosjonsbølge av intens røntgenstråling. Disse høyenergistrålene passerer gjennom kobberstenger, som fungerer som arbeidsfluiden til laseren og fokuserer røntgenenergien i kraftige stråler. De resulterende røntgenstrålene kan deretter rettes mot fiendens stridshoder. Selvfølgelig kan en slik enhet bare brukes en gang, siden en kjernefysisk eksplosjon ville ødelegge røntgenlaser selv.
Den første røntgenlasertesten, kalt Cabra-testen (Calba), ble utført i 1983. En hydrogenbombe ble detonert i en underjordisk gruve, og deretter ble en tilfeldig strøm av røntgenstråler fra den fokusert og omdannet til en sammenhengende røntgenlaserstråle. Testene ble opprinnelig funnet å være vellykkede; faktisk var det denne suksessen i 1983 som inspirerte president Reagan til å komme med en historisk hensiktserklæring om å bygge et defensivt skjold fra Star Wars. Dette lanserte et program på flere milliarder dollar for å bygge et nettverk av enheter som kjernepumpede røntgenlasere for å skyte ned fiendens ICBM-er. Arbeidet under dette programmet fortsetter i dag. (Senere viste det seg at en sensor designet for å registrere og måle stråling under en historisk test,var ødelagt; dermed kunne hans vitnesbyrd ikke stole på.)
Er det virkelig mulig å skyte ned stridshoder med ballistiske raketter med en slik ikke-triviell enhet? Det er ikke ekskludert. Men det skal ikke glemmes at fienden kan komme på mange enkle og rimelige måter å nøytralisere slike våpen på (for eksempel kan man lure radaren ved å skyte millioner av billige lokkefeller, eller få stridshodet til å rotere for å spre røntgen på denne måten; eller komme opp med et kjemisk belegg som ville beskytte stridshodet mot røntgen). Til slutt kunne fienden ganske enkelt masseprodusere stridshoder som ville gjennombore Star Wars-skjoldet ganske enkelt med deres rene antall.
Derfor kan kjernepumpede røntgenlasere for øyeblikket ikke beskytte mot rakettangrep. Men er det mulig å lage en Death Star som er i stand til å ødelegge en hel planet eller bli et effektivt middel for beskyttelse mot en nærliggende asteroide?
Death Star Physics
Er det mulig å lage et våpen som er i stand til å ødelegge en hel planet, som i Star Wars? I teorien er svaret enkelt: ja. Og på flere måter.
Det er ingen fysiske begrensninger for energien som frigjøres ved eksplosjonen av en hydrogenbombe. Slik går det. (En detaljert beskrivelse av hydrogenbomben selv i dag er klassifisert av den amerikanske regjeringen som den høyeste kategorien av hemmelighold, men generelt er dens innretning velkjent.) En hydrogenbombe er laget i flere trinn. Ved å kombinere riktig antall trinn i riktig rekkefølge, kan du få en atombombe med nesten hvilken som helst forhåndsbestemt kraft.
Den første fasen er en standard fisjonsbombe, eller atombombe; den bruker energien fra uran-235 til å generere en røntgenstråle, slik det skjedde i Hiroshima. Et brutt sekund før eksplosjonen av en atombombe blåser alt i filler, vises en ekspanderende sfære med kraftig røntgenpuls. Denne strålingen overhaler den faktiske eksplosjonen (siden den beveger seg med lysets hastighet); de klarer å fokusere det igjen og sende det til en beholder med litiumdeuterid, det aktive stoffet i en hydrogenbombe. (Nøyaktig hvordan dette gjøres er fremdeles en statshemmelighet.) Røntgenstråler faller på litiumdeuterid, noe som får den til å kollapse øyeblikkelig og varme opp til millioner av grader, noe som forårsaker en ny eksplosjon, mye kraftigere enn den første. Røntgenbruddet som følge av denne andre eksplosjonenDu kan deretter fokusere på det andre partiet litiumdeuterid og forårsake en tredje eksplosjon. Her er prinsippet som du kan plassere mange beholdere med litiumdeuterid ved siden av hverandre og få en hydrogenbombe med ufattelig kraft. Dermed var den kraftigste bomben i menneskehetens historie den to-trinns hydrogenbomben, som ble detonert i 1961 av Sovjetunionen. Så var det en eksplosjon med en kapasitet på 50 millioner tonn TNT, selv om denne bomben teoretisk var i stand til å gi en kraft på mer enn 100 megaton TNT (som er omtrent 5000 ganger mer enn kraften til bomben som falt på Hiroshima).den mektigste bomben i menneskets historie var den to-trinns hydrogenbomben, som ble detonert i 1961 av Sovjetunionen. Så skjedde det en eksplosjon med en kapasitet på 50 millioner tonn TNT, selv om denne bomben teoretisk var i stand til å produsere mer enn 100 megaton TNT (som er omtrent 5000 ganger mer enn bombenes kraft som falt på Hiroshima).den mektigste bomben i menneskets historie var den to-trinns hydrogenbomben, som ble detonert i 1961 av Sovjetunionen. Så var det en eksplosjon med en kapasitet på 50 millioner tonn TNT, selv om denne bomben teoretisk var i stand til å gi en kraft på mer enn 100 megaton TNT (som er omtrent 5000 ganger mer enn kraften til bomben som falt på Hiroshima).
Imidlertid er det helt andre krefter som trengs for å tenne en hel planet. For å gjøre dette, ville Death Star måtte skyte tusenvis av slike røntgenlasere ut i verdensrommet, som da måtte sparkes samtidig. (Til sammenligning, på høyden av den kalde krigen, lagde USA og Sovjetunionen hver om lag 30 000 atombomber.) Den samlede energien til et så enormt antall røntgenlasere ville ha vært nok til å tenne planetens overflate. Derfor kunne fremtidens galaktiske imperium, hundretusener av år unna oss, selvfølgelig skape et slikt våpen.
For en høyt utviklet sivilisasjon er det en annen måte: å skape en Death Star som vil bruke energien til en kosmisk kilde til gammastrålebrister. Fra en slik dødsstjerne ville det komme en strålebrudd, den andre bare ved makt til Big Bang. Kilder til gammastrålebrudd er et naturlig fenomen, de eksisterer i rommet; likevel kan det tenkes at en avansert sivilisasjon en dag kunne utnytte deres enorme energi. Det er mulig at hvis vi tar kontroll over en stjernes rotasjon lenge før den kollapset og fødselen av en hypernova, så vil det være mulig å lede "skuddet" fra kilden til gammastrålesprengninger til et hvilket som helst punkt i rommet.
Kilder til gammastråleutbrudd
Kosmiske kilder til GRB ble først lagt merke til på 1970-tallet. på Vela-satellittene lansert av det amerikanske militæret, designet for å oppdage "ekstra blink" - bevis på en ulovlig atombombeeksplosjon. Men i stedet for bluss på jordens overflate, registrerte satellitter gigantiske stråling fra rommet. Den første overraskelsesoppdagelsen utløste panikk i Pentagon: tester sovjeterne nye atomvåpen i det dype rommet? Senere ble det funnet at utbruddene kommer jevnt fra alle himmelretningens retninger; dette betydde at de faktisk kom til Melkeveis-galaksen utenfra. Men hvis vi antar en virkelig ekstragalaktisk opprinnelse til utbruddene, vil kraften deres vise seg å være virkelig astronomisk - når alt kommer til alt er de i stand til å "belyse" hele det synlige universet.
Etter Sovjetunionens sammenbrudd i 1990 avklassifiserte Pentagon uventet en enorm mengde astronomiske data. Astronomer ble overrasket. De innså plutselig at de sto overfor et nytt mystisk fenomen fra de som fra tid til annen blir tvunget til å omskrive lærebøker og oppslagsverk.
Varigheten av gammastrålesprengninger er kort, fra noen få sekunder til flere minutter, så det er nødvendig med et nøye organisert sensorsystem for å oppdage og analysere dem. For det første registrerer satellitter et utbrudd av gammastråling og sender de nøyaktige koordinatene til kilden til jorden. De oppnådde koordinatene overføres til optiske eller radioteleskoper, som igjen sikter mot et spesifisert punkt i himmelsfæren.
Selv om ikke alt er kjent om gammastrålebrudd for øyeblikket, sier en av teoriene om deres opprinnelse at kildene til gammastrålesprengninger er “hypernovaer” av ekstraordinær styrke og etterlater enorme svarte hull. I dette tilfellet viser det seg at kildene til gammastråleutbrudd er monstrøse sorte hull i dannelsestadiet.
Men sorte hull avgir to stråler, to stråler med stråling, fra sørpolen og fra nord, som en snurreplate. Strålingen fra gammastrålebruddet som vi registrerer, tilhører tilsynelatende en av disse strømmene - den som viste seg å være rettet mot jorden. Hvis strømmen av gammastråling fra en slik kilde ble rettet nøyaktig til jorden, og selve kilden var i vår galaktiske nærhet (i en avstand på flere hundre lysår fra jorden), ville dens kraft være nok til å ødelegge livet på planeten vår fullstendig.
For det første ville en elektromagnetisk puls generert av røntgen fra en gammastrålekilde ha deaktivert alt elektronisk utstyr på jorden. En kraftig stråle av røntgenstråler og gammastråling vil forårsake uopprettelig skade på jordens atmosfære og ødelegge det beskyttende ozonlaget. Så ville en strøm av gammastråler varme opp jordoverflaten og forårsake uhyrlige ildstormer som til slutt ville oppslukte hele planeten. Kanskje ville ikke kilden til gammastrålesprengninger ha sprengt planeten, som vist i filmen "Star Wars", men den ville absolutt ødelagt alt liv på den og etterlatt en forkullet ørken.
Det kan antas at en sivilisasjon som har overgått oss i utvikling i hundrevis av millioner av år, vil lære å rette slike sorte hull til ønsket mål. Dette kan oppnås ved å lære å kontrollere bevegelsen til planeter og nøytronstjerner og lede dem til en døende stjerne i en nøyaktig beregnet vinkel like før kollaps. En relativt liten innsats vil være nok til å avlede stjernens rotasjonsakse og sikte den i ønsket retning. Da vil den døende stjernen bli den største tenkelige kanonkanonen.
Oppsummer. Bruken av kraftige lasere for å lage bærbare våpen og lyssabre med håndholdt stråle bør klassifiseres som umulighet i klasse I - mest sannsynlig vil dette bli mulig i nær fremtid, eller si de neste hundre årene. Men den ekstremt vanskelige oppgaven med å sikte en roterende stjerne før den eksploderer og transformerer den til et svart hull, det vil si å transformere den til en Death Star, bør betraktes som en umulighet i klasse II - noe som ikke klart motsier fysikkens lover (tross alt eksisterer kildene til gammastrålebrudd i virkeligheten), men kan bare realiseres langt i fremtiden, etter tusenvis eller til og med millioner av år.
Fra boka: "Physics of the Impossible".
