Steaua Morții este o armă colosală de mărimea unei luni bune. Trăgând în gol pe planeta fără apărare Alderaan, patria prințesei Leia, Steaua Morții o distruge complet. Planeta dispare în flăcările unei explozii titanice, împrăștiind resturi în tot sistemul solar. Un miliard de suflete țipă simultan de agonie, provocând o revoltă în Forță care se simte oriunde în galaxie.
Dar este cu adevărat posibilă o armă precum Starul Morții din filmul Star Wars? Este posibil să organizați și să direcționați o baterie de tunuri laser, astfel încât o planetă întreagă să se evapore ca rezultat? Cum rămâne cu celebrele săbii de lumină pe care Luke Skywalker și Darth Vader le-au manevrat, care sunt un fascicul de lumină, dar care pot tăia cu ușurință prin oțel blindat? Pistolele cu raze, ca și fazerele din Star Trek, vor deveni arma potrivită pentru generațiile viitoare de forțe de ordine și soldați?
Noile efecte originale, originale și uluitoare, din Star Wars, au făcut o impresie convingătoare asupra a milioane de telespectatori, dar criticii au avut o opinie diferită. Unii dintre ei au susținut că da, desigur, realizatorii au încercat sincer să distreze privitorul, dar, de fapt, astfel de lucruri sunt complet imposibile. Criticii nu s-au săturat niciodată să repete ca o descântec: tunurile cu raze de mărimea lunii, capabile să sufle o planetă întreagă în bucăți mici, este ceva nemaiauzit; sabiile dintr-un fascicul de lumină care se întărește brusc sunt, de asemenea, imposibile. Toate acestea sunt prea mari chiar și pentru o galaxie îndepărtată, îndepărtată. De data aceasta, George Lucas, aclamatul maestru al efectelor speciale, a derapat puțin.
Poate fi greu de crezut, dar o cantitate nelimitată de energie poate fi „umplută” într-un fascicul de lumină; nu există limitări fizice. Crearea unei stele a morții sau a sabiei laser nu contrazice nicio lege a fizicii. Mai mult, fasciculele de radiații gamma capabile să arunce în aer planeta există de fapt în natură. O explozie titanică de radiații, generată de o sursă misterioasă îndepărtată de izbucniri de raze gamma, este capabilă să creeze o explozie în spațiul adânc, în al doilea rând doar în putere față de Big Bang în sine. Orice planetă care reușește să fie în vederea unei astfel de „arme” va fi de fapt prăjită sau sfâșiată.
Arme cu grinzi în istorie
Visul de a folosi energia radiației nu este deloc nou; rădăcinile sale se întorc la religia și mitologia antică. Zeul grec Zeus este renumit pentru împușcarea muritorilor cu fulgere. Zeul nordic Thor a mânuit un ciocan magic, Mjellnir, capabil să arunce fulgere, iar zeul hindus Indra a tras un fascicul de energie dintr-o suliță magică.
Ideea razei ca o adevărată armă practică a apărut pentru prima dată în lucrările marelui matematician grec Arhimede, poate cel mai mare om de știință din antichitate, care a reușit să dezvolte propria sa versiune a calculului diferențial primitiv cu două mii de ani înainte de Newton și Leibniz. Se crede că în legendarul bătălie din 214 î. Hr. împotriva trupelor generalului roman Marcellus din timpul celui de-al doilea război punic, Arhimede, ajutând la apărarea regatului Siracuzei, a construit o baterie mare de reflectoare solare, a concentrat razele soarelui pe pânzele navelor inamice și le-a dat astfel foc. (Oamenii de știință încă discută dacă o astfel de armă cu fascicul ar putea funcționa efectiv; mai multe grupuri de oameni de știință au încercat, cu rezultate diferite, să reproducă această realizare.)
Video promotional:
Pistolele cu fascicule au lovit paginile de science fiction în 1889 cu clasicul Război al lumilor al lui HG Wells. În acest roman, extratereștrii de pe Marte au distrus orașe întregi dirijând fascicule de energie termică de la tunurile montate pe trepiedele lor către ele. În timpul celui de-al doilea război mondial, naziștii, întotdeauna gata să cerceteze și să adopte cele mai noi progrese tehnologice pentru a le folosi pentru a cuceri lumea, au experimentat și diverse tipuri de arme cu raze, inclusiv dispozitive acustice care focalizau fascicule puternice de sunet folosind oglinzi parabolice.
Arma, care este un fascicul de lumină focalizat, a captat imaginația publicului după lansarea filmului James Bond Goldfinger; a fost primul film de la Hollywood care a prezentat un laser. (În el, legendarul spion britanic era legat de o masă metalică și un puternic fascicul laser se apropia încet de el, topindu-i masa treptat între picioare și amenințând că îl va tăia pe erou în jumătate.)
Inițial, fizicienii au râs doar de ideea armelor cu fascicul, exprimată în romanul lui Wells, deoarece astfel de arme încălcau legile cunoscute ale opticii. Conform ecuațiilor lui Maxwell, lumina pe care o vedem în jurul nostru este incoerentă (adică este un amestec de unde cu frecvențe și faze diferite) și se disipează rapid. S-a crezut cândva că un fascicul de lumină coerent, focalizat și uniform - cum ar fi un fascicul laser - era imposibil de realizat.
Revoluția cuantică
Totul s-a schimbat după apariția teoriei cuantice. Deja la începutul secolului XX. a devenit clar că, deși legile lui Newton și ecuațiile lui Maxwell descriu cu succes mișcarea planetelor și comportamentul luminii, există o întreagă clasă de fenomene pe care nu le pot explica. Din păcate, ei nu au spus nimic despre motivele pentru care materialele conduc electricitatea, de ce metalele se topesc la anumite temperaturi, de ce gazele emit lumină atunci când sunt încălzite, de ce unele substanțe devin supraconductive la temperaturi scăzute. Pentru a răspunde la oricare dintre aceste întrebări, este necesar să înțelegem dinamica internă a atomilor. Revoluția este coaptă. Fizica newtoniană, după 250 de ani de dominație, aștepta răsturnarea ei; în același timp, prăbușirea vechiului idol trebuia să anunțe începutul durerilor de muncă ale noii fizici.
În 1900, Max Planck din Germania a sugerat că energia nu este continuă, așa cum credea Newton, ci există sub forma unor „porțiuni” discrete mici numite „quanta”. Apoi, în 1905, Einstein a postulat că lumina este compusă și din aceste mici pachete discrete (sau cuante), numite ulterior fotoni. Cu această idee simplă, dar puternică, Einstein a reușit să explice efectul fotoelectric, și anume de ce metalele, atunci când sunt iradiate cu lumină, emit electroni. Astăzi, efectul fotoelectric și fotonul stau la baza televiziunii, laserelor, panourilor solare și o mare parte din electronica modernă. (Teoria fotonului Einstein a fost atât de revoluționară încât chiar și Max Planck, care de obicei îl susținea cu ardoare pe Einstein, la început nu putea să creadă în ea. Planck a scris despre Einstein: „Faptulcă uneori îi lipsește … așa cum, de exemplu, a făcut-o cu ipoteza cuantelor ușoare, nu se poate învinui, din toată conștiința. )
Apoi, în 1913, fizicianul danez Niels Bohr ne-a oferit o imagine complet nouă a atomului; Atomul lui Bohr seamănă cu un sistem solar în miniatură. Dar, spre deosebire de sistemul solar real, electronii dintr-un atom se pot deplasa în jurul nucleului numai în interiorul orbitelor sau cochiliilor discrete. Când un electron „sare” de la o coajă la alta, care este mai aproape de nucleu și are mai puțină energie, acesta emite un foton de energie. În schimb, atunci când un electron absoarbe un foton cu o anumită energie, acesta „sare” mai sus, la o coajă care este mai departe de nucleu și are o energie mai mare.
În 1925, odată cu apariția mecanicii cuantice și a lucrării revoluționare a lui Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg și mulți alții, s-a născut o teorie aproape completă a atomului. Conform teoriei cuantice, electronul era o particulă, dar deținea și o undă asociată, care îi conferea atât proprietățile unei particule, cât și a unei unde. Această undă a respectat așa-numita ecuație de undă Schrödinger, care a făcut posibilă calcularea proprietăților atomului, inclusiv a tuturor „săriturilor” electronilor postulate de Bohr.
Până în 1925, atomii erau considerați obiecte misterioase; mulți, precum filosoful Ernst Mach, nu credeau deloc în existența lor. După 1925, omul a avut ocazia nu numai să privească profund în dinamica atomului, ci și să prezică proprietățile acestuia destul de fiabil. În mod surprinzător, aceasta a însemnat că, cu un computer suficient de puternic la îndemână, s-ar putea deduce proprietățile elementelor chimice direct din legile teoriei cuantice. În același mod în care fizica newtoniană, cu o mașină de calcul suficient de mare, ar permite oamenilor de știință să calculeze mișcarea tuturor corpurilor cerești din univers, fizica cuantică, potrivit oamenilor de știință, a făcut posibilă, în principiu, calcularea tuturor proprietăților elementelor chimice ale universului. În plus, având un computer suficient de puternic,s-ar putea compune funcția de undă completă a unei ființe umane.
Masere și lasere
În 1953, profesorul Charles Townes de la Universitatea din California la Berkeley, împreună cu colegii săi, au reușit să obțină primul fascicul de radiații coerente, și anume microundele. Dispozitivul a fost numit maser (maser - după primele litere ale cuvintelor sintagmei „amplificarea microundelor prin emisie stimulată de radiații”, adică „amplificarea microundelor prin stimularea radiației.”) Mai târziu, în 1964, Townes, împreună cu fizicienii ruși Nikolai Basov și Alexander Prokhorov a primit premiul Nobel. În curând, rezultatele oamenilor de știință au fost extinse la lumina vizibilă. Laserul s-a născut. (Pe de altă parte, fazerul este un dispozitiv fantastic, renumit de Star Trek.)
Baza laserului este un mediu special care va transmite efectiv fasciculul laser; poate fi un gaz special, cristal sau diodă. Apoi, trebuie să pompați energia în acest mediu din exterior - folosind electricitate, unde radio, lumină sau o reacție chimică. Fluxul neașteptat de energie excită atomii din mediu, determinând electronii să absoarbă energia și să sară pe cojile externe de electroni cu energie mai mare.
Într-o astfel de stare excitată, pompată, mediul devine instabil. Dacă, după aceea, un fascicul de lumină este trimis prin el, atunci fotonii fasciculului, care se ciocnesc cu atomii, vor provoca o descărcare bruscă de electroni pe orbite mai mici și eliberarea de fotoni suplimentari. La rândul lor, acești fotoni vor determina emiterea de fotoni și mai mulți electroni - și în curând o reacție în lanț a atomilor „se prăbușește” la o stare neexcitată va începe cu eliberarea aproape simultană a unei cantități uriașe de fotoni - trilioane și trilioane de aceștia - toate în același fascicul. Caracteristica fundamentală a acestui proces este că, în unele substanțe, cu o eliberare asemănătoare unei avalanșe, toți fotonii vibrează la unison, adică sunt coerenți.
(Imaginați-vă domino-urile aliniate într-un rând. În starea cea mai scăzută de energie, fiecare articulație se întinde pe masă. În starea de înaltă energie, umflată, articulațiile stau în poziție verticală, ca atomii umflați ai unui mediu. Prin apăsarea unei articulații, puteți provoca o eliberare bruscă simultană a acestei energii, la fel ca la fel cum se întâmplă la nașterea unui fascicul laser.)
Doar câteva materiale sunt capabile să lucreze într-un laser; aceasta înseamnă că numai în substanțe speciale atunci când un foton se ciocnește cu un atom excitat, este emis un foton care este coerent cu primul. Această proprietate a materiei duce la faptul că toți fotonii din fluxul emergent vibrează la unison, creând un fascicul laser subțire. (Contrar legendei populare, fasciculul laser nu rămâne întotdeauna la fel de subțire ca la început. De exemplu, un fascicul laser tras în Lună se va extinde treptat pe parcurs și va oferi un loc de câțiva kilometri pe suprafața Lunii.)
Un laser simplu cu gaz este un tub umplut cu un amestec de heliu și neon. Când electricitatea este trecută prin tub, atomii absorb energie și devin excitați. Apoi, dacă există o eliberare bruscă a întregii energii stocate în gaz, se naște un fascicul de lumină coerentă. Acest fascicul este amplificat de două oglinzi instalate la ambele capete ale tubului, astfel încât fasciculul să fie reflectat la rândul lor și să se repede de-a lungul tubului dintr-o parte în alta. Una dintre oglinzi este complet opacă, dar cealaltă transmite o mică parte din lumina incidentă asupra ei, eliberând astfel fasciculul spre exterior.
Astăzi, laserele pot fi găsite peste tot - în casa de marcat a magazinului alimentar, în cablul cu fibră optică care vă oferă acces la Internet, într-o imprimantă laser sau CD player și într-un computer modern. Laserele sunt utilizate în chirurgia ochilor, îndepărtarea tatuajelor și chiar în saloanele de înfrumusețare. În 2004, laserele au fost vândute în întreaga lume pentru peste 5,4 miliarde de dolari.
Tipuri de lasere și caracteristicile acestora
Lasere noi sunt descoperite aproape în fiecare zi acum; de regulă, vorbim despre descoperirea unei substanțe noi care poate funcționa într-un laser sau despre invenția unei noi metode de pompare a energiei în fluidul de lucru.
Întrebarea este, sunt aceste tehnologii potrivite pentru fabricarea armelor cu raze sau a sabrelor luminoase? Poți construi un laser suficient de mare pentru a alimenta Steaua Morții? Astăzi există o varietate uimitoare de lasere care pot fi clasificate în funcție de materialul fluidului de lucru și de modul în care energia este pompată (ar putea fi electricitate, un fascicul puternic de lumină, chiar și o explozie chimică). Enumerăm mai multe tipuri de lasere.
• Lasere pe gaz. Această categorie include, de asemenea, laserele cu heliu-neon extrem de comune, care produc un fascicul roșu foarte familiar. Sunt pompate cu unde radio sau electricitate. Laserii cu heliu-neon sunt de putere redusă. Dar laserele cu dioxid de carbon pot fi utilizate pentru operațiuni de sablare, pentru tăierea și topirea metalelor în industria grea; sunt capabili să dea un fascicul extrem de puternic și complet invizibil;
• Lasere chimice. Aceste lasere puternice sunt încărcate de reacții chimice, cum ar fi arderea etilenei și trifluorurii de azot NF3. Aceste lasere sunt suficient de puternice pentru a fi utilizate în domeniul militar. În Statele Unite, principiul de pompare chimică este utilizat în laserele de luptă aeriene și terestre capabile să livreze un fascicul de milioane de wați și proiectate pentru a doborî rachete cu rază scurtă de acțiune în zbor.
• Lasere cu excimer. Aceste lasere își obțin, de asemenea, energia dintr-o reacție chimică, care implică de obicei un gaz inert (adică, argon, cripton sau xenon) și un fel de fluor sau clorură. Acestea emit lumină ultravioletă și pot fi utilizate în industria electronică pentru gravarea tranzistoarelor minuscule pe cipurile semiconductoare și în chirurgia oculară pentru operațiuni delicate Lasik.
• Lasere semiconductoare. Diodele pe care le folosim atât de mult în toate tipurile de dispozitive electronice pot produce fascicule laser puternice, care sunt utilizate în industria de tăiere și sudare. Aceleași lasere semiconductoare funcționează și în case de marcat, citind coduri de bare din produsele alese.
• Lasere colorante. Aceste lasere folosesc coloranți organici ca mediu de lucru. Acestea sunt extrem de utile în generarea impulsurilor ultra-scurte de lumină, care sunt adesea de ordinul unei trilioane de secundă.
Lasere și arme cu fascicul?
Având în vedere varietatea uriașă de lasere comerciale și puterea laserelor militare, este greu să nu ne întrebăm de ce nu avem tunuri cu raze și tunuri potrivite pentru a fi utilizate pe câmpul de luptă? În filmele științifico-fantastice, armele cu raze și pistoalele de un fel sau altul sunt de obicei cele mai comune și mai cunoscute arme. De ce nu lucrăm la o astfel de armă?
Răspunsul simplu la această întrebare este că nu avem suficiente surse de alimentare portabile. Acesta nu este un fleac. Armele cu grinzi ar necesita baterii miniaturale de mărimea unei palme, dar care să corespundă puterii unei centrale electrice uriașe. În prezent, singura modalitate de a obține puterea unei centrale electrice mari pentru utilizare este de a construi una. Iar cel mai mic dispozitiv militar capabil să servească drept container pentru astfel de energii este o bombă cu hidrogen miniaturală, care, din păcate, poate distruge nu numai ținta, ci și pe tine.
Există, de asemenea, o a doua problemă - stabilitatea substanței emitente sau a fluidului de lucru. În teorie, nu există nicio limită a cantității de energie care poate fi pompată într-un laser. Dar problema este că corpul de lucru al unui pistol laser de mână ar fi instabil. Laserele de cristal, de exemplu, se supraîncălzesc și se sparg dacă pompezi prea multă energie în ele. În consecință, crearea unui laser extrem de puternic - unul care ar putea vaporiza un obiect sau neutraliza un inamic - ar putea necesita energie explozivă. În acest caz, în mod firesc, nu ne mai putem gândi la stabilitatea fluidului de lucru, deoarece laserul nostru va fi de unică folosință.
Problemele legate de dezvoltarea surselor de energie portabile și a materialelor cu emisii stabile fac imposibilă existența pistolelor cu raze odată cu stadiul actual al tehnicii. În general, puteți crea un pistol cu raze doar dacă aduceți un cablu de la o sursă de alimentare. Poate cu ajutorul nanotehnologiei, putem crea într-o zi baterii miniaturale care pot stoca sau genera energie care ar fi suficientă pentru a crea explozii puternice - un atribut necesar al armelor laser portabile. În prezent, așa cum am văzut, nanotehnologia este la început. Da, oamenii de știință au reușit să creeze la nivel atomic unele dispozitive - foarte ingenioase, dar complet impracticabile, precum abacul atomic sau chitara atomică. Dar se poate întâmpla că ce altceva în asta sau, să zicem,în secolul următor, nanotehnologia ne va oferi într-adevăr baterii miniaturale pentru stocarea unor cantități fabuloase de energie.
Sabiile cu lumină au aceeași problemă. Odată cu lansarea Războiului Stelar în 1970, sabiile de jucărie au devenit un succes instantaneu pentru băieți. Mulți critici au considerat că este de datoria lor să sublinieze că, în realitate, astfel de dispozitive sunt imposibile. În primul rând, lumina nu poate fi solidificată. Lumina se mișcă cu viteza luminii, deci este imposibil să o solidificăm. În al doilea rând, un fascicul de lumină nu poate fi tăiat brusc în spațiu, așa cum fac sabiile luminoase în Star Wars. Raza de lumină nu poate fi oprită, este mereu în mișcare; o adevărată sabie laser ar merge departe în cer.
De fapt, există o modalitate de a face un fel de sabie laser din plasmă sau gaz ionizat supraîncălzit. Dacă plasma este încălzită suficient, va străluci în întuneric și va tăia oțel, de altfel. O sabie laser cu plasmă ar putea fi un tub telescopic subțire care se extinde de la un mâner.
Plasma fierbinte este eliberată în tub de mâner, care apoi iese prin găuri mici de-a lungul întregii lungimi a "lamei". Plasma se ridică din mâner de-a lungul lamei și iese într-un cilindru lung și strălucitor de gaz supraîncălzit, suficient de fierbinte pentru a topi oțelul. Un astfel de dispozitiv este uneori numit torță cu plasmă.
Astfel, putem crea un dispozitiv cu energie ridicată, care seamănă cu o sabie laser. Dar aici, la fel ca în situația cu pistoalele cu raze, va trebui mai întâi să obțineți o baterie portabilă puternică. Așadar, fie folosiți nanotehnologia pentru a crea o baterie miniaturală care vă poate furniza sabia laser cu o cantitate enormă de energie, fie trebuie să o conectați la o sursă de alimentare folosind un cablu lung.
Deci, în timp ce armele cu raze și sabiile luminoase pot fi fabricate într-o anumită formă astăzi, armele de mână pe care le vedem în filmele SF nu sunt posibile odată cu stadiul tehnicii. Dar mai târziu în acest secol, sau poate în următorul, dezvoltarea științei materialelor și nanotehnologiei poate duce la crearea unuia sau a altui tip de armă cu fascicul, ceea ce ne permite să o definim ca o imposibilitate de clasa I.
Energie pentru steaua morții
Pentru a construi Starul Morții, un tun laser capabil să distrugă o planetă întreagă și să terorizeze galaxia, așa cum se arată în Star Wars, trebuie să creați cel mai puternic laser imaginabil. În prezent, cele mai puternice lasere de pe Pământ sunt probabil folosite pentru a obține temperaturi care în natură se găsesc doar în miezul stelelor. Poate că aceste lasere și reactoarele de fuziune bazate pe ele ne vor ajuta într-o bună zi pe Pământ să valorificăm energia stelară.
În reactoarele de fuziune, oamenii de știință încearcă să reproducă procesele care au loc în spațiu în timpul formării unei stele. La început, steaua apare ca o minge uriașă de hidrogen neformat. Apoi forțele gravitaționale comprimă gazul și astfel îl încălzesc; treptat temperatura din interior atinge valori astronomice. De exemplu, adânc în inima unei stele, temperatura poate crește la 50-100 de milioane de grade. Este suficient de cald pentru ca nucleele de hidrogen să se lipească; în acest caz, apar nuclei de heliu și se eliberează energie. În procesul de fuzionare a heliului cu hidrogenul, o mică parte a masei este convertită în energie conform celebrei formule Einstein E = mc2. Aceasta este sursa din care steaua își extrage energia.
Oamenii de știință încearcă în prezent să valorifice energia fuziunii nucleare în două moduri. Ambele căi s-au dovedit a fi mult mai dificil de implementat decât se credea anterior.
Închiderea inerțială pentru fuziunea cu laser
Prima metodă se bazează pe așa-numita închidere inerțială. Cu ajutorul celor mai puternice lasere de pe Pământ, o bucată de soare este creată artificial în laborator. Laserul din sticlă solidă din sticlă de neodim este ideal pentru a reproduce cele mai înalte temperaturi găsite doar în miezurile stelare. Experimentul utilizează sisteme laser de mărimea unei fabrici bune; o baterie de lasere dintr-un astfel de sistem declanșează o serie de fascicule paralele într-un tunel lung. Aceste raze laser puternice sunt apoi reflectate dintr-un sistem de mici oglinzi montate în jurul volumului sferic. Oglinzile focalizează cu exactitate toate razele laser, direcționându-le pe o mică bilă de material bogat în hidrogen (cum ar fi deuterida de litiu, ingredientul activ al unei bombe cu hidrogen). Oamenii de știință folosesc de obicei o minge de mărimea unui cap de ac și cântăresc doar aproximativ 10 mg.
Blițul laser încălzește instantaneu suprafața mingii, provocând evaporarea stratului superior al substanței și comprimarea puternică a mingii. „Se prăbușește”, iar unda de șoc rezultată ajunge la centrul său și face ca temperatura din interiorul mingii să sară la milioane de grade - nivelul necesar pentru fuziunea nucleelor de hidrogen pentru a forma nuclee de heliu. Temperatura și presiunea ating valori atât de astronomice încât criteriul Lawson este îndeplinit, același lucru care este îndeplinit și în miezul stelelor și în exploziile bombelor cu hidrogen. (Criteriul lui Lawson afirmă că trebuie atinse anumite niveluri de temperatură, densitate și timp de reținere pentru a declanșa o reacție de fuziune termonucleară într-o bombă de hidrogen, o stea sau un reactor.)
În procesul de confuzie inerțială fuziune termonucleară, se eliberează o cantitate uriașă de energie, inclusiv sub formă de neutroni. (Temperatura deuteridului de litiu poate ajunge la 100 de milioane de grade Celsius, iar densitatea este de douăzeci de ori mai mare decât cea a plumbului.) Există o explozie de radiații neutronice din bilă. Neutronii cad într-o „pătură” sferică de materie care înconjoară camera reactorului și o încălzește. Apoi, căldura rezultată este utilizată pentru a fierbe apa, iar aburul poate fi deja folosit pentru a roti turbina și a genera electricitate.
Cu toate acestea, problema este de a focaliza fasciculele de mare energie și de a răspândi uniform radiația lor pe suprafața mingii mici. Prima încercare majoră de fuziune cu laser a fost Shiva, un sistem laser cu douăzeci de fascicule construit la laboratorul național Lawrence Livermore (LLNL) și lansat în 1978 (Shiva este zeița multi-armată a panteonului hindus, care amintește de un sistem laser cu mai multe fascicule). „Shiva” s-a dovedit a fi descurajant; cu toate acestea, cu ajutorul său, a fost posibil să se demonstreze că fuziunea termonucleară cu laser este posibilă din punct de vedere tehnic. Mai târziu, „Shiva” a fost înlocuit cu laserul „Nova”, care a depășit de zece ori „Shiva” la putere. Dar „Nova” nu a reușit să asigure aprinderea corespunzătoare a bilei de hidrogen. Cu toate acestea,ambele sisteme au deschis calea pentru cercetări specifice la noua instalație națională de aprindere (NIF), a cărei construcție a început la LLNL în 1997.
NIF este de așteptat să înceapă să funcționeze în 2009. Această mașină monstruoasă este o baterie de 192 lasere care produc o putere enormă de 700 trilioane de wați într-un impuls scurt (puterea totală a aproximativ 70.000 de unități nucleare mari). Este un sistem laser de ultimă generație conceput special pentru fuziunea completă a bilelor saturate de hidrogen. (Criticii indică, de asemenea, semnificația sa militară evidentă - la urma urmei, un astfel de sistem este capabil să simuleze procesul de detonare al unei bombe cu hidrogen; poate că va crea un nou tip de armă nucleară - o bombă bazată exclusiv pe procesul de fuziune, care nu mai necesită o încărcare atomică de uraniu sau plutoniu pentru a detona.)
Dar chiar și sistemul NIF, conceput pentru a asigura procesul de fuziune termonucleară și care încorporează cele mai puternice lasere de pe Pământ, nici măcar nu poate compara de la distanță puterea cu puterea distructivă a Stelei Morții, cunoscută de noi din Războiul Stelelor. Pentru a crea un astfel de dispozitiv, va trebui să căutăm alte surse de energie.
Închiderea magnetică pentru fuziune
A doua metodă pe care oamenii de știință ar putea să o folosească în principiu pentru a energiza Plimbările cu Moartea este cunoscută sub numele de confinare magnetică - procesul prin care o plasmă fierbinte de hidrogen este menținută în loc de un câmp magnetic.
Această metodă, probabil, va servi drept prototip pentru primele reactoare termonucleare comerciale. În prezent, cel mai avansat proiect de acest tip este Reactorul Experimental Termonuclear Internațional (ITER). În 2006, mai multe țări (inclusiv Uniunea Europeană, Statele Unite, China, Japonia, Coreea, Rusia și India) au decis să construiască un astfel de reactor la Cadarache din sudul Franței. În ea, hidrogenul trebuie încălzit până la 100 de milioane de grade Celsius. Este posibil ca ITER să devină primul reactor de fuziune din istorie care va putea produce mai multă energie decât consumă. Este proiectat pentru a produce 500 MW de putere în 500 de secunde (recordul actual este de 16 MW într-o secundă). Este planificat ca prima plasmă să fie produsă la ITER până în 2016,iar instalația va fi pe deplin operațională în 2022. Proiectul valorează 12 miliarde de dolari și este al treilea cel mai scump proiect științific din istorie (după Proiectul Manhattan și Stația Spațială Internațională).
În aparență, instalația ITER arată ca o gogoasă mare, împletită în exterior cu inele uriașe de înfășurare electrică; hidrogenul circulă în interiorul gogoșii. Înfășurarea este răcită la o stare de supraconductivitate și apoi o cantitate uriașă de electricitate este pompată în ea, creând un câmp magnetic care reține plasma în interiorul gogoșei. Când un curent electric este trecut direct prin gogoașă, gazul din interiorul acestuia se încălzește la temperaturi stelare.
Motivul pentru care oamenii de știință sunt atât de interesați de proiectul ITER este simplu: în viitor, promite să creeze surse ieftine de energie. Reactoarele de fuziune sunt alimentate cu apă de mare obișnuită, bogată în hidrogen. Se pare, cel puțin pe hârtie, că fuziunea termonucleară ne poate oferi o sursă ieftină și inepuizabilă de energie.
Deci, de ce nu avem încă reactoare de fuziune? De ce sunt deja câteva decenii - de la momentul din anii 1950. a fost elaborată o diagramă de proces - nu putem obține rezultate reale? Problema este că combustibilul cu hidrogen este extrem de dificil de comprimat uniform. În miezurile stelelor, gravitația forțează hidrogenul să capete o formă sferică ideală, în urma căreia gazul se încălzește curat și uniform.
Fuziunea termonucleară laser în NIF necesită ca fasciculele laser care aprind suprafața bilei de hidrogen să fie exact aceleași și acest lucru este extrem de dificil de realizat. În instalațiile cu izolare magnetică, faptul că câmpul magnetic are polii nord și sud joacă un rol important; ca rezultat, este extrem de dificil să comprimăm uniform gazul în sfera corectă.
Cel mai bun lucru pe care îl putem crea este un câmp magnetic în formă de gogoșă. Dar procesul de comprimare a unui gaz este ca și cum ai strânge un balon în mâini. De fiecare dată când strângi mingea dintr-un capăt, aerul o împinge în alt loc. Comprimarea mingii simultan și uniform în toate direcțiile nu este o sarcină ușoară. Gazul fierbinte se scurge de obicei din sticla magnetică; mai devreme sau mai târziu, ajunge la pereții reactorului și procesul de fuziune termonucleară se oprește. Acesta este motivul pentru care este atât de dificil să comprimați suficient hidrogenul și să îl mențineți comprimat chiar și pentru o secundă.
Spre deosebire de centralele nucleare moderne, unde are loc fisiunea atomilor, un reactor de fuziune nu va produce o cantitate mare de deșeuri nucleare. (Fiecare dintre unitățile nucleare tradiționale produce 30 de tone de deșeuri nucleare extrem de periculoase pe an. În schimb, deșeurile nucleare dintr-un reactor de fuziune vor fi în mare parte oțel radioactiv, care va rămâne după demontare.)
Nu trebuie să sperăm că fuziunea termonucleară va rezolva complet problemele energetice ale Pământului în viitorul apropiat. Francezul Pierre-Gilles de Gennes, laureat al Premiului Nobel pentru fizică, spune: „Spunem că vom pune soarele într-o cutie. Buna idee. Problema este că nu știm cum să facem această cutie. Dar cercetătorii speră că, dacă totul va merge bine, peste patruzeci de ani ITER îi va ajuta pe oamenii de știință să deschidă calea pentru producția comercială de energie termonucleară - energie care ar putea într-o zi să furnizeze electricitate caselor noastre. Într-o zi, probabil, reactoarele de fuziune ne vor permite pe Pământ să folosim în siguranță energia stelară și astfel să ne atenuăm problemele de energie. Dar nici măcar reactoarele termonucleare închise magnetic nu vor putea alimenta arme precum Steaua Morții. Acest lucru va necesita dezvoltări complet noi.
Lasere cu raze X pompate nuclear
Există o altă posibilitate de a construi un tun laser Death Star bazat pe tehnologia actuală - folosind o bombă cu hidrogen. O baterie de lasere cu raze X, care utilizează și focalizează puterea armelor nucleare, ar putea, în teorie, să furnizeze suficientă putere pentru a acționa un dispozitiv capabil să arunce în aer o planetă întreagă.
Reacțiile nucleare eliberează aproximativ 100 de milioane de ori mai multă energie pe unitate de masă decât cele chimice. O bucată de uraniu îmbogățit nu mai mare decât o minge de tenis ar fi suficientă pentru a arde un oraș întreg într-un vârtej de foc, în ciuda faptului că doar 1% din masa de uraniu este transformată în energie. După cum am spus, există multe modalități de a pompa energia în fluidul de lucru al unui laser și, prin urmare, în raza laser. Cea mai puternică dintre aceste metode - mult mai puternică decât toate celelalte - este de a valorifica energia unei bombe nucleare.
Laserele cu raze X au o importanță enormă, atât militară, cât și științifică. Lungimea de undă foarte scurtă a radiației cu raze X face posibilă utilizarea unor astfel de lasere pentru sondarea la distanțe atomice și descifrarea structurii atomice a moleculelor complexe, lucru extrem de dificil de făcut cu metodele convenționale. Abilitatea de a „vedea” atomii în mișcare și de a distinge între locația lor în cadrul unei molecule ne face să privim reacțiile chimice într-un mod complet nou.
O bombă cu hidrogen emite o cantitate extraordinară de energie sub formă de raze X, astfel încât laserele cu raze X pot fi pompate cu energia unei explozii nucleare. În știință, laserele cu raze X sunt cel mai strâns asociate cu Edward Teller, „tatăl” bombei cu hidrogen.
De altfel, a fost Teller în anii 1950. a depus mărturie în fața Congresului că lui Robert Oppenheimer, care anterior a condus Proiectul Manhattan, nu i s-ar putea încredința lucrări ulterioare la bomba cu hidrogen datorită opiniilor sale politice. Mărturia lui Teller a dus la defăimarea lui Oppenheimer și la refuzul accesului la materiale clasificate; mulți fizicieni proeminenți nu au reușit niciodată să-l ierte pe Teller pentru asta.
(Propriile mele contacte cu Teller au început în liceu. Am efectuat apoi o serie de experimente despre natura antimateriei, am câștigat marele premiu la San Francisco Science Fair și o excursie la National Science Fair din Albuquerque, New Mexico. Împreună cu Teller, care a acordat întotdeauna atenție tinerilor fizicieni talentați, am luat parte la un program de televiziune local. Mai târziu am primit o bursă de inginerie de la Teller numită după Hertz, care m-a ajutat să plătesc studiile la Harvard. De câteva ori pe an mergeam la casa lui Teller din Berkeley și acolo și-a cunoscut familia îndeaproape.)
În principiu, laserul cu raze X Teller este o mică bombă nucleară înconjurată de tije de cupru. Explozia unei arme nucleare generează o undă sferică de explozie cu radiații intense de raze X. Aceste fascicule de mare energie trec prin tije de cupru, care acționează ca fluidul de lucru al laserului și concentrează energia razelor X în fascicule puternice. Razele X rezultate pot fi apoi direcționate către focoasele inamice. Desigur, un astfel de dispozitiv poate fi folosit o singură dată, deoarece o explozie nucleară ar autodistruge laserul cu raze X.
Primul test laser cu raze X, supranumit testul Cabra (Cabra), a fost efectuat în 1983. O bombă cu hidrogen a fost detonată într-o mină subterană, iar apoi un flux dezorientat de raze X provenit de la acesta a fost focalizat și transformat într-un fascicul laser coerent cu raze X. Testele s-au dovedit inițial reușite; de fapt, acest succes din 1983 l-a inspirat pe președintele Reagan să facă o declarație istorică de intenție de a construi un scut defensiv din Star Wars. Aceasta a lansat un program de mai multe miliarde de dolari pentru a construi o rețea de dispozitive, cum ar fi lasere cu raze X pompate nuclear, pentru a doborî ICBM-urile inamice. Lucrările la acest program continuă și astăzi. (Mai târziu sa dovedit că un senzor conceput pentru a înregistra și măsura radiațiile în timpul unui test istoric,a fost distrus; astfel, mărturia sa nu a putut fi de încredere.)
Este cu adevărat posibil să doborâți focoasele cu rachete balistice cu un dispozitiv atât de banal? Nu este exclus. Dar nu trebuie uitat că inamicul poate veni cu multe modalități simple și ieftine de a neutraliza astfel de arme (de exemplu, s-ar putea înșela radarul trăgând milioane de momeli ieftine; ar proteja focosul de raze X). În cele din urmă, inamicul ar putea pur și simplu produce în masă focoase care ar străpunge scutul Războiului Stelelor pur și simplu prin numărul lor.
Prin urmare, laserele cu raze X pompate nuclear sunt în prezent incapabile să protejeze împotriva atacului cu rachete. Dar este posibil să creăm pe baza lor o stea a morții capabilă să distrugă o planetă întreagă sau să devină un mijloc eficient de apărare împotriva unui asteroid care se apropie?
Fizica stelei morții
Este posibil să creezi o armă capabilă să distrugă o planetă întreagă, ca în Star Wars? În teorie, răspunsul este simplu: da. Și în mai multe moduri.
Nu există limitări fizice pentru energia eliberată de detonarea unei bombe cu hidrogen. Așa merge. (O descriere detaliată a bombei cu hidrogen chiar și astăzi este clasificată de guvernul SUA drept cea mai înaltă categorie de secretizare, dar, în termeni generali, dispozitivul său este bine cunoscut.) O bombă cu hidrogen este realizată în mai multe etape. Combinând numărul necesar de etape în secvența corectă, puteți obține o bombă nucleară de aproape orice putere prestabilită.
Prima etapă este o bombă standard de fisiune sau o bombă atomică; folosește energia uraniului-235 pentru a genera o explozie de raze X, așa cum sa întâmplat la Hiroshima. O fracțiune de secundă înainte de explozia unei bombe atomice aruncă totul în bucăți, apare o sferă în expansiune cu impuls puternic de raze X. Această radiație depășește explozia reală (deoarece se deplasează cu viteza luminii); reușesc să o concentreze din nou și să o trimită într-un recipient cu deuterură de litiu, substanța activă a unei bombe cu hidrogen. (Exact modul în care se face acest lucru este încă un secret de stat.) Razele X cad pe deuterida de litiu, determinând-o să se micșoreze instantaneu și să o încălzească până la milioane de grade, provocând o a doua explozie, mult mai puternică decât prima. Razele X au izbucnit în urma acestei a doua exploziiputeți apoi să vă concentrați pe al doilea lot de deuteridă de litiu și să provocați o a treia explozie. Iată principiul prin care puteți plasa multe recipiente de deuteridă de litiu unul lângă altul și puteți obține o bombă cu hidrogen de o putere inimaginabilă. Astfel, cea mai puternică bombă din istoria omenirii a fost bomba cu hidrogen în două etape, care a fost detonată în 1961 de Uniunea Sovietică. Apoi a avut loc o explozie cu o capacitate de 50 de milioane de tone de echivalent TNT, deși teoretic această bombă a fost capabilă să ofere o putere de peste 100 megatoni de TNT (care este de aproximativ 5000 de ori mai mare decât puterea bombei aruncată pe Hiroshima).cea mai puternică bombă din istoria omenirii a fost bomba cu hidrogen în două etape, care a fost detonată în 1961 de Uniunea Sovietică. Apoi a avut loc o explozie cu o capacitate de 50 de milioane de tone de echivalent TNT, deși teoretic această bombă a fost capabilă să ofere o putere de peste 100 megatoni de TNT (care este de aproximativ 5000 de ori mai mare decât puterea bombei aruncată pe Hiroshima).cea mai puternică bombă din istoria omenirii a fost bomba cu hidrogen în două etape, care a fost detonată în 1961 de Uniunea Sovietică. Apoi a avut loc o explozie cu o capacitate de 50 de milioane de tone de echivalent TNT, deși teoretic această bombă a fost capabilă să ofere o putere de peste 100 megatoni de TNT (care este de aproximativ 5000 de ori mai mare decât puterea bombei aruncată pe Hiroshima).
Cu toate acestea, sunt necesare puteri complet diferite pentru a aprinde o întreagă planetă. Pentru a face acest lucru, Steaua Morții ar trebui să lanseze mii de astfel de lasere cu raze X în spațiu, care ar trebui apoi să fie lansate simultan. (Pentru comparație, spuneți că, la vârful Războiului Rece, Statele Unite și Uniunea Sovietică au stocat aproximativ 30.000 de bombe nucleare.) Energia combinată a unui număr atât de mare de lasere cu raze X ar fi fost suficientă pentru a aprinde suprafața planetei. Prin urmare, Imperiul Galactic al viitorului, la sute de mii de ani depărtat de noi, ar putea, desigur, să creeze o astfel de armă.
Pentru o civilizație foarte dezvoltată, există o altă modalitate: de a crea o stea a morții care să folosească energia unei surse cosmice de explozii de raze gamma. Dintr-o astfel de stea a morții, ar emana o explozie de radiații, a doua doar la putere după Big Bang. Sursele de explozii de raze gamma sunt un fenomen natural, ele există în spațiu; cu toate acestea, este de conceput că într-o zi o civilizație avansată ar putea valorifica energia lor enormă. Este posibil ca, dacă luăm controlul rotației unei stele cu mult înainte de prăbușirea ei și de nașterea unei hipernove, atunci va fi posibil să direcționăm „împușcătura” sursei de explozii de raze gamma către orice punct din spațiu.
Surse de explozii de raze gamma
Sursele cosmice de GRB au fost observate pentru prima dată în anii 1970. pe sateliții Vela lansați de armata SUA, proiectați pentru a detecta „flash-uri suplimentare” - dovezi ale unei explozii ilegale de bombe nucleare. Dar, în loc de flăcări pe suprafața Pământului, sateliții au detectat explozii uriașe de radiații din spațiu. Descoperirea inițială a surprizei a stârnit panică la Pentagon: sovieticii testează noi arme nucleare în spațiul adânc? Mai târziu s-a constatat că izbucnirile provin uniform din toate direcțiile sferei cerești; asta însemna că ei veneau de fapt în galaxia Căii Lactee din afară. Dar, dacă presupunem o origine cu adevărat extragalactică a izbucnirilor, atunci puterea lor se va dovedi a fi cu adevărat astronomică - la urma urmei, sunt capabili să „lumineze” întregul univers vizibil.
După prăbușirea Uniunii Sovietice în 1990, Pentagonul a declasificat în mod neașteptat o cantitate imensă de date astronomice. Astronomii au fost uimiți. Deodată și-au dat seama că se confruntă cu un nou fenomen misterios, dintre cei care sunt obligați din când în când să rescrie manuale și cărți de referință.
Durata exploziilor de raze gamma este scurtă, variind de la câteva secunde la câteva minute, de aceea este nevoie de un sistem de senzori atent organizat pentru a le detecta și analiza. În primul rând, sateliții înregistrează o explozie de radiații gamma și trimit coordonatele exacte ale sursei pe Pământ. Coordonatele obținute sunt transmise telescoapelor optice sau radio, care, la rândul lor, vizează un punct specific din sfera cerească.
Deși nu se știe totul în acest moment despre explozii de raze gamma, una dintre teoriile originii lor spune că sursele de explozii de raze gamma sunt „hipernove” de o forță extraordinară, lăsând în urmă găuri negre masive. În acest caz, se dovedește că sursele de explozii de raze gamma sunt găuri negre monstruoase în stadiul de formare.
Dar găurile negre emit două jeturi, două fluxuri de radiații, din polul sud și din nord, ca un vârf rotativ. Radiația exploziei de raze gamma, pe care o înregistrăm, aparține, evident, unuia dintre aceste fluxuri - cel care s-a dovedit a fi îndreptat spre Pământ. Dacă fluxul de radiații gamma dintr-o astfel de sursă ar fi direcționat exact către Pământ, iar sursa însăși s-ar afla în vecinătatea noastră galactică (la o distanță de câteva sute de ani lumină de Pământ), puterea sa ar fi suficientă pentru a distruge complet viața de pe planeta noastră.
În primul rând, un impuls electromagnetic creat de raze X dintr-o sursă de explozie de raze gamma ar fi dezactivat toate echipamentele electronice de pe Pământ. Un fascicul puternic de raze X și radiații gamma ar provoca daune ireparabile atmosferei terestre, distrugând stratul protector de ozon. Apoi, un flux de raze gamma ar încălzi suprafața Pământului, provocând furtuni de foc monstruoase care în cele din urmă ar înghiți întreaga planetă. Poate că sursa izbucnirilor de raze gamma nu ar fi aruncat în aer planeta, așa cum se arată în filmul „Războiul stelelor”, dar cu siguranță ar fi distrus toată viața de pe ea, lăsând în urmă un deșert carbonizat.
Se poate presupune că o civilizație care ne-a depășit în dezvoltare cu sute de milioane de ani va învăța să direcționeze astfel de găuri negre către ținta dorită. Acest lucru poate fi realizat prin învățarea de a controla mișcarea planetelor și a stelelor de neutroni și a le direcționa către o stea pe moarte la un unghi calculat exact chiar înainte de prăbușire. Efort relativ mic va fi suficient pentru a devia axa de rotație a stelei și a o orienta în direcția dorită. Apoi steaua pe moarte se va transforma în cel mai mare tun cu fascicul imaginabil.
Rezuma. Utilizarea laserelor puternice pentru a crea arme cu fascicul portabil sau portabil și sabie cu lumină ar trebui clasificată ca imposibilitate de clasa I - cel mai probabil, acest lucru va deveni posibil în viitorul apropiat sau, să zicem, în următorii sute de ani. Dar sarcina extrem de dificilă de a viza o stea rotitoare înainte de a exploda și a o transforma într-o gaură neagră, adică a o transforma într-o stea a morții, ar trebui considerată ca o imposibilitate de clasa a II-a - ceva care nu contrazice în mod clar legile fizicii (la urma urmei, sursele de explozii de raze gamma există în realitate), dar nu poate fi realizat decât în viitor, după mii sau chiar milioane de ani.
Din cartea: „Fizica imposibilului”.
