Hviezda smrti je kolosálna zbraň veľká ako dobrý mesiac. Hviezda smrti ju úplne bez streľby na bezbrannú planétu Alderaan, domovinu princeznej Leie, úplne zničí. Planéta mizne v plameňoch titánskej explózie a rozptyľuje trosky po celej slnečnej sústave. Miliarda duší súčasne kričí v agónii, čo spôsobuje pobúrenie Sily, ktoré je cítiť kdekoľvek v galaxii.
Je však zbraň ako Hviezda smrti z filmu Hviezdne vojny skutočne možná? Je možné usporiadať a nasmerovať batériu laserových kanónov tak, aby sa vďaka tomu odparila celá planéta? Čo slávne svetelné meče, ktorými disponovali Luke Skywalker a Darth Vader, ktoré sú lúčom svetla, ale dajú sa ľahko prestrihnúť cez pancierovú oceľ? Stanú sa rayguny, rovnako ako phasery v Star Treku, tou správnou zbraňou pre budúce generácie orgánov činných v trestnom konaní a vojakov?
Nové, originálne a ohromujúce špeciálne efekty Hviezdnych vojen pôsobili na milióny divákov presvedčivým dojmom, kritici však mali iný názor. Niektorí z nich tvrdili, že áno, samozrejme, tvorcovia filmu sa úprimne snažili diváka pobaviť, ale v skutočnosti sú také veci úplne nemožné. Kritici sa už nikdy neunúvajú opakovať ako zaklínadlo: lúčové delá veľké ako mesiac, schopné rozmetať celú planétu na malé kúsky, je niečo neslýchané; meče z náhle tuhnúceho svetelného lúča sú tiež nemožné. To všetko je príliš veľa ani na vzdialenú, vzdialenú galaxiu. Tentokrát George Lucas, uznávaný majster špeciálnych efektov, trochu dostal šmyk.
Možno je ťažké tomu uveriť, ale do svetelného lúča sa dá „nabiť“neobmedzené množstvo energie; neexistujú žiadne fyzické obmedzenia. Vytvorenie Hviezdy smrti alebo svetelného meča nie je v rozpore so žiadnymi fyzikálnymi zákonmi. Navyše lúče gama žiarenia schopné vyhodiť do povetria planétu skutočne existujú v prírode. Titanický výbuch žiarenia, generovaný vzdialeným záhadným zdrojom výbuchov gama žiarenia, je schopný vytvoriť explóziu v hlbokom vesmíre, ktorá je druhá po sile samotného Veľkého tresku. Akákoľvek planéta, ktorej sa podarí takúto „pištoľ“vidieť, bude skutočne vyprážaná alebo roztrhaná na kúsky.
Lúčové zbrane v histórii
Sen o využití energie žiarenia nie je vôbec nový; jeho korene siahajú do starodávneho náboženstva a mytológie. Grécky boh Zeus je známy tým, že smrteľníkov strieľa smrťou. Severný boh Thor ovládal čarovné kladivo Mjellnir schopné hádzať blesky, zatiaľ čo hinduistický boh Indra vystrelil energetický lúč z čarovného oštepu.
Myšlienka lúča ako skutočnej praktickej zbrane sa prvýkrát objavila v dielach veľkého gréckeho matematika Archimeda, asi najväčšieho vedca staroveku, ktorému sa podarilo vyvinúť vlastnú verziu primitívneho diferenciálneho počtu už dvetisíc rokov pred Newtonom a Leibnizom. Predpokladá sa, že v legendárnej bitke z roku 214 pred n. proti jednotkám rímskeho generála Marcella počas druhej púnskej vojny Archimedes, ktorý pomáhal brániť syrakúzske kráľovstvo, zostrojil veľkú batériu slnečných reflektorov, zameral slnečné lúče na plachty nepriateľských lodí a tak ich podpálil. (Vedci stále diskutujú o tom, či by takáto lúčová zbraň mohla skutočne fungovať; niekoľko skupín vedcov sa pokúsilo s rôznymi výsledkami tento úspech zopakovať.)
Propagačné video:
Beamové zbrane sa dostali na stránky sci-fi v roku 1889 klasickou HG Wellsovou Vojnou svetov. V tomto románe mimozemšťania z Marsu zničili celé mestá nasmerovaním lúčov tepelnej energie z kanónov namontovaných na ich statívoch k nim. Počas druhej svetovej vojny nacisti, vždy pripravení skúmať a prijímať najnovšie technologické pokroky, aby ich mohli dobyť svet, experimentovali aj s rôznymi typmi lúčových zbraní, vrátane akustických zariadení, ktoré zameriavali silné zvukové lúče pomocou parabolických zrkadiel.
Zbraň, ktorou je zaostrený lúč svetla, upútala predstavivosť verejnosti po uvedení filmu Goldfinger o Jamesovi Bondovi; bol to prvý hollywoodsky film, ktorý obsahoval laser. (V ňom bol legendárny britský špión priviazaný o kovový stôl a pomaly sa k nemu priblížil silný laserový lúč, ktorý si stôl postupne roztavil medzi nohami a hrozil, že hrdinu rozreže na polovicu.)
Fyzici sa spočiatku iba smiali myšlienke lúčových zbraní, ktorá bola vyjadrená vo Wellsovom románe, pretože tieto zbrane porušovali známe optické zákony. Podľa Maxwellových rovníc je svetlo, ktoré vidíme okolo seba, nekoherentné (t.j. je to zhluk vĺn s rôznymi frekvenciami a fázami) a rýchlo sa rozptýli. Kedysi sa verilo, že je nemožné dosiahnuť koherentný, sústredený a rovnomerný lúč svetla - napríklad laserový lúč.
Kvantová revolúcia
Všetko sa zmenilo po nástupe kvantovej teórie. Už na začiatku XX storočia. vysvitlo, že aj keď Newtonove zákony a Maxwellove rovnice veľmi úspešne popisujú pohyb planét a správanie sa svetla, existuje celá skupina javov, ktoré nedokážu vysvetliť. Je smutné, že nepovedali nič o tom, prečo materiály vedú elektrinu, prečo sa kovy topia pri určitých teplotách, prečo plyny po zahriatí emitujú svetlo, prečo niektoré látky pri nízkych teplotách získavajú supravodivosť. Ak chcete odpovedať na ktorúkoľvek z týchto otázok, musíte pochopiť vnútornú dynamiku atómov. Revolúcia je zrelá. Newtonovská fyzika po 250 rokoch nadvlády čakala na svoje zvrhnutie; zrútenie starej modly malo zároveň ohlasovať začiatok pôrodných bolestí novej fyziky.
V roku 1900 Max Planck v Nemecku navrhol, že energia nie je spojitá, ako veril Newton, ale existuje vo forme malých samostatných „častí“nazývaných „kvantá“. Potom v roku 1905 Einstein predpokladal, že svetlo sa tiež skladá z týchto malých samostatných balíčkov (alebo kvant), ktoré sa neskôr nazývajú fotóny. Pomocou tejto jednoduchej, ale výkonnej myšlienky dokázal Einstein vysvetliť fotoelektrický jav, a to prečo kovy po ožiarení svetlom emitujú elektróny. Dnes sú fotoelektrický efekt a fotón základom pre televíziu, lasery, solárne panely a veľa modernej elektroniky. (Einsteinova teória fotónu bola taká revolučná, že ani Max Planck, ktorý zvyčajne horlivo podporoval Einsteina, tomu najskôr neveril. Planck o Einsteinovi napísal: „Skutočnosť,že niekedy chýba … ako to urobil napríklad s hypotézou svetelných kvant, nemožno mu, pri všetkom svedomí, vyčítať. “)
Potom v roku 1913 nám dánsky fyzik Niels Bohr poskytol úplne nový obraz o atóme; Bohrov atóm pripomínal miniatúrnu slnečnú sústavu. Ale na rozdiel od skutočnej slnečnej sústavy sa elektróny v atóme môžu pohybovať po jadre iba v rámci samostatných dráh alebo obalov. Keď elektrón „skočí“z jednej škrupiny do druhej, ktorá je bližšie k jadru a má menej energie, vyžaruje z nej fotón energie. Naopak, keď elektrón absorbuje fotón s určitou energiou, „skočí“vyššie, na škrupinu, ktorá je ďalej od jadra a má vyššiu energiu.
V roku 1925, s príchodom kvantovej mechaniky a revolučnou prácou Erwina Schrödingera, Wernera Heisenberga a mnohých ďalších, sa zrodila takmer úplná teória atómu. Podľa kvantovej teórie bol elektrón časticou, ale mal aj súvisiacu vlnu, ktorá mu dávala vlastnosti častice aj vlny. Táto vlna sa podriaďovala takzvanej Schrödingerovej vlnovej rovnici, ktorá umožňovala vypočítať vlastnosti atómu vrátane všetkých „skokov“elektrónov postulovaných Bohrom.
Do roku 1925 boli atómy považované za záhadné objekty; mnohí, podobne ako filozof Ernst Mach, vôbec neverili v ich existenciu. Po roku 1925 mal človek možnosť nielen hlboko nahliadnuť do dynamiky atómu, ale aj celkom spoľahlivo predpovedať jeho vlastnosti. Prekvapivo to znamenalo, že s dostatočne výkonným počítačom po ruke bolo možné odvodiť vlastnosti chemických prvkov priamo zo zákonov kvantovej teórie. Rovnako ako newtonovská fyzika s dostatočne veľkým výpočtovým strojom umožnila vedcom vypočítať pohyb všetkých nebeských telies vo vesmíre, aj kvantová fyzika podľa vedcov umožnila v zásade vypočítať všetky vlastnosti chemických prvkov vesmíru bez výnimky. Navyše, s dostatočne výkonným počítačom,dalo by sa zostaviť funkciu plných vĺn človeka.
Masery a lasery
V roku 1953 sa profesorovi Charlesovi Townesovi z Kalifornskej univerzity v Berkeley podarilo spolu so svojimi kolegami získať prvý lúč koherentného žiarenia, a to mikrovlny. Prístroj sa nazýval maser (maser - po prvých písmenách slov frázy „mikrovlnné zosilnenie stimulovanou emisiou žiarenia“), teda „zosilnenie mikrovĺn stimuláciou žiarenia.“) Neskôr, v roku 1964, Townes spolu s ruskými fyzikmi Nikolajom Basovom a Alexandrom Prochorov dostal Nobelovu cenu. Výsledky vedcov sa čoskoro rozšírili aj na viditeľné svetlo. Laser sa narodil. (Fázer je na druhej strane fantastické zariadenie, ktoré preslávil Star Trek.)
Základom laseru je špeciálne médium, ktoré bude skutočne prenášať laserový lúč; môže to byť špeciálny plyn, kryštál alebo dióda. Potom musíte do tohto prostredia pumpovať energiu zvonku - pomocou elektriny, rádiových vĺn, svetla alebo chemickej reakcie. Neočakávaný príliv energie vzrušuje atómy v médiu, čo spôsobí, že elektróny absorbujú energiu a skočia na vonkajšie obaly vyššej energie.
V takomto vzrušenom, prečerpávanom stave sa médium stáva nestabilným. Ak potom smeruje lúč svetla, potom fotóny lúča, ktoré sa zrazia s atómami, spôsobia náhly pokles elektrónov na nižšie obežné dráhy a uvoľnenie ďalších fotónov. Tieto fotóny zase spôsobia, že fotóny emituje ešte viac elektrónov - a čoskoro sa začne reťazová reakcia atómov „zrúti“sa do excitovaného stavu s takmer súčasným uvoľnením veľkého množstva fotónov - biliónov a biliónov z nich - všetkých do toho istého lúča. Základnou črtou tohto procesu je, že v niektorých látkach s lavínovým uvoľňovaním všetky fotóny vibrujú unisono, to znamená, že sú koherentné.
(Predstavte si, že domino je zoradené v rade. V stave s najnižšou energiou leží každý kĺb na stole. V vysokoenergetickom a nafúknutom stave stoja kĺby vzpriamene, ako nafúknuté atómy média. Stlačením jedného kĺbu môžete spôsobiť náhle súčasné uvoľnenie všetkej tejto energie, iba to isté, čo sa stane pri zrode laserového lúča.)
Iba niekoľko materiálov je schopných pracovať v laseri; to znamená, že iba pri špeciálnych látkach, keď dôjde k zrážke fotónu s excitovaným atómom, dôjde k emisii fotónu, ktorý je koherentný s prvým. Táto vlastnosť hmoty vedie k tomu, že všetky fotóny vo vznikajúcom prúde vibrujú unisono a vytvárajú tenký laserový lúč. (Na rozdiel od populárnej legendy laserový lúč nezostáva vždy taký tenký ako na samom začiatku. Napríklad laserový lúč vystrelený na Mesiac sa bude postupne rozširovať a cestou bude mať povrch niekoľko mesiacov po povrchu Mesiaca.)
Jednoduchý plynový laser je trubica naplnená zmesou hélia a neónu. Keď elektrina prechádza trubicou, atómy absorbujú energiu a vzrušujú sa. Potom, ak dôjde k náhlemu uvoľneniu všetkej energie uloženej v plyne, zrodí sa lúč koherentného svetla. Tento lúč je zosilnený dvoma zrkadlami inštalovanými na oboch koncoch trubice, takže lúč sa od nich postupne odráža a rúti sa pozdĺž trubice zo strany na stranu. Jedno zo zrkadiel je úplne nepriehľadné, druhé však prenáša malú časť dopadajúceho svetla a lúč tak uvoľňuje smerom von.
Lasery dnes nájdete všade - v pokladni s potravinami, vo vláknovom kábli, ktorý umožňuje prístup na internet, v laserovej tlačiarni alebo prehrávači diskov CD a v modernom počítači. Lasery sa používajú v očnej chirurgii, pri odstraňovaní tetovania a dokonca aj v kozmetických salónoch. V roku 2004 sa lasery predali do celého sveta za viac ako 5,4 miliárd dolárov.
Typy laserov a ich vlastnosti
Nové lasery sú objavované takmer každý deň; spravidla hovoríme o objave novej látky, ktorá môže pracovať v laseri, alebo o vynáleze novej metódy čerpania energie do pracovnej tekutiny.
Otázkou je, či sú tieto technológie vhodné na výrobu lúčov alebo svetelných mečov? Dokážete vytvoriť dostatočne veľký laser na napájanie Hviezdy smrti? Dnes existuje ohromujúca paleta laserov, ktoré možno klasifikovať podľa materiálu pracovnej kvapaliny a spôsobu, akým sa čerpá energia (mohla by to byť elektrina, silný svetelný lúč, dokonca aj chemická explózia). Uvádzame niekoľko typov laserov.
• Plynové lasery. Do tejto kategórie patria aj mimoriadne bežné hélium-neónové lasery, ktoré vytvárajú veľmi známy červený lúč. Načerpajú ich pomocou rádiových vĺn alebo elektriny. Hélium-neónové lasery majú nízku spotrebu. Ale plynové lasery na oxid uhličitý sa dajú použiť na trhacie práce, na rezanie a tavenie kovov v ťažkom priemysle; sú schopné vydávať mimoriadne silný a úplne neviditeľný lúč;
• Chemické lasery. Tieto výkonné lasery sa nabíjajú chemickými reakciami, ako je spaľovanie etylénu a fluoridu dusitého NF3. Tieto lasery sú dostatočne silné na to, aby sa dali použiť vo vojenskej oblasti. V Spojených štátoch sa princíp chemického čerpania používa vo vzdušných a pozemných bojových laseroch schopných vydávať lúč miliónov wattov a je určený na zostrelenie rakiet krátkeho doletu za letu.
• Excimerové lasery. Tieto lasery tiež získavajú energiu chemickou reakciou, ktorá zvyčajne zahŕňa inertný plyn (t. J. Argón, kryptón alebo xenón) a určitý druh fluoridu alebo chloridu. Vydávajú ultrafialové svetlo a môžu sa použiť v elektronickom priemysle na leptanie malých tranzistorov na polovodičových čipoch a v očnej chirurgii na vykonávanie najlepších operácií Lasik.
• Polovodičové lasery. Diódy, ktoré tak široko používame vo všetkých druhoch elektronických zariadení, môžu produkovať silné laserové lúče, ktoré sa používajú v priemysle rezania a zvárania. Rovnaké polovodičové lasery pracujú aj v registračných pokladniciach a načítavajú čiarové kódy z vami vybraných produktov.
• Farbiace lasery. Tieto lasery používajú ako pracovné médium organické farbivá. Sú mimoriadne užitočné pri generovaní ultrakrátkych impulzov svetla, ktoré sú často rádovo jedna bilióntina sekundy.
Lasery a lúčové pištole?
Vzhľadom na veľkú rozmanitosť komerčných laserov a silu vojenských laserov je ťažké sa čudovať, prečo nemáme lúčové zbrane a delá, ktoré sú použiteľné na bojisku? Vo vedecko-fantastických filmoch sú lúčové zbrane a pištole toho či oného druhu väčšinou najbežnejšie a najbežnejšie zbrane. Prečo nepracujeme na takejto zbrani?
Jednoduchá odpoveď na túto otázku je, že nemáme dostatok prenosných zdrojov energie. To nie je maličkosť. Zbrane s lúčmi by vyžadovali miniatúrne batérie veľké ako dlaň, ale zodpovedajúce sile obrovskej elektrárne. V súčasnosti je jediným spôsobom, ako získať energiu z veľkej elektrárne, jej vybudovanie. A najmenším vojenským zariadením, ktoré môže slúžiť ako zásobník na takéto energie, je miniatúrna vodíková bomba, ktorá, bohužiaľ, dokáže zničiť nielen cieľ, ale aj seba.
Existuje tiež druhý problém - stabilita emitujúcej látky alebo pracovnej tekutiny. Teoreticky neexistuje nijaké obmedzenie množstva energie, ktoré je možné prečerpať do laseru. Problém však je, že pracovné telo ručnej laserovej pištole by bolo nestabilné. Napríklad krištáľové lasery sa prehrievajú a praskajú, ak do nich načerpáte príliš veľa energie. V dôsledku toho môže byť vytvorenie mimoriadne výkonného lasera - takého, ktorý by dokázal odpariť objekt alebo zneškodniť nepriateľa - vyžadovať výbušnú energiu. V takom prípade už človek prirodzene nemôže myslieť na stabilitu pracovnej tekutiny, pretože náš laser bude jednorazový.
Problémy s vývojom prenosných zdrojov energie a stabilne emitujúcich materiálov znemožňujú pri súčasnom stave techniky existenciu lúčových zbraní. Vo všeobecnosti môžete vytvoriť lúčovú zbraň, iba ak k nej privediete kábel zo zdroja energie. Možno s využitím nanotechnológie môžeme niekedy vytvoriť miniatúrne batérie, ktoré dokážu skladovať alebo generovať energiu, ktorá by stačila na vytvorenie silných výbuchov - nevyhnutného atribútu ručných laserových zbraní. V súčasnosti, ako sme videli, je nanotechnológia v plienkach. Áno, vedcom sa podarilo vytvoriť niektoré zariadenia na atómovej úrovni - veľmi dômyselné, ale úplne nepraktické, napríklad atómové počítadlo alebo atómová gitara. Môže sa ale dobre stať, že čo ešte v tomto alebo povedzmev budúcom storočí nám nanotechnológia skutočne dá miniatúrne batérie na uskladnenie rozprávkového množstva energie.
Rovnaký problém majú svetelné meče. S vydaním Hviezdnych vojen v roku 1970 sa svetelné meče hračiek stali okamžite hitom u chlapcov. Mnoho kritikov považovalo za svoju povinnosť poukázať na to, že v skutočnosti sú takéto zariadenia nemožné. Po prvé, svetlo nemožno stuhnúť. Svetlo sa pohybuje rýchlosťou svetla, takže je nemožné ho stuhnúť. Po druhé, lúč svetla nemožno náhle odrezať vo vesmíre, ako to robia svetelné meče vo Hviezdnych vojnách. Lúč svetla sa nedá zastaviť, je vždy v pohybe; skutočný svetelný meč by išiel ďaleko do neba.
V skutočnosti existuje spôsob, ako vyrobiť akýsi svetelný meč z plazmy alebo prehriateho ionizovaného plynu. Ak je plazma dostatočne zahriata, bude mimochodom tiež žiariť v tme a rezať oceľ. Plazmovým svetelným mečom môže byť tenká teleskopická trubica, ktorá sa tiahne od rukoväte.
Horúca plazma sa uvoľňuje do trubice z rukoväte, ktorá potom vystupuje cez malé otvory po celej dĺžke „čepele“. Plazma stúpa z rukoväte pozdĺž čepele a von do dlhého, žiariaceho valca prehriateho plynu, dostatočne horúceho na tavenie ocele. Takéto zariadenie sa niekedy nazýva plazmový horák.
Môžeme teda vytvoriť vysokoenergetické zariadenie, ktoré pripomína svetelný meč. Ale tu, rovnako ako v prípade lúčových zbraní, si budete musieť najskôr zaobstarať výkonnú prenosnú batériu. Buď teda pomocou nanotechnológie vytvoríte miniatúrnu batériu, ktorá dokáže dodať vášmu svetelnému meču obrovské množstvo energie, alebo ho musíte pripojiť k zdroju energie pomocou dlhého kábla.
Takže zatiaľ čo lúčové pištole a svetelné meče je možné v dnešnej dobe vyrobiť, ručné zbrane, ktoré vidíme vo sci-fi filmoch, nie sú pri súčasnom stave techniky možné. Ale neskôr v tomto storočí, alebo možno v nasledujúcom, môže vývoj vedy o materiáloch a nanotechnológiách viesť k vytvoreniu jedného alebo druhého typu lúčovej zbrane, čo nám umožní definovať ju ako nemožnosť I. triedy.
Energia pre hviezdu smrti
Ak chcete postaviť Hviezdu smrti, laserové delo schopné zničiť celú planétu a priniesť teror galaxii, ako to ukazujú Hviezdne vojny, musíte vytvoriť najsilnejší laser, aký si len dokážete predstaviť. V súčasnosti sa najsilnejšie lasery na Zemi pravdepodobne používajú na získanie teplôt, ktoré v prírode nájdeme iba vo hviezdnych jadrách. Možno nám tieto lasery a fúzne reaktory na nich založené niekedy pomôžu na Zemi využiť hviezdnu energiu.
Vedci sa vo fúznych reaktoroch snažia reprodukovať procesy, ktoré prebiehajú vo vesmíre pri vzniku hviezdy. Najskôr sa hviezda javí ako obrovská guľa neformovaného vodíka. Potom gravitačné sily stlačia plyn a tým ho zahrejú; teplota vo vnútri postupne dosahuje astronomické hodnoty. Napríklad hlboko v srdci hviezdy môže teplota vystúpiť na 50 - 100 miliónov stupňov. Je to dosť teplo na to, aby sa vodíkové jadrá zlepili; v tomto prípade sa objavia jadrá hélia a energia sa uvoľní. V procese fúzie hélia z vodíka sa malá časť hmoty premieňa na energiu podľa slávneho Einsteinovho známeho vzorca E = mc2. Toto je zdroj, z ktorého hviezda čerpá energiu.
Vedci sa v súčasnosti snažia využiť energiu jadrovej fúzie dvoma spôsobmi. Ukázalo sa, že obe cesty boli oveľa ťažšie realizovateľné, ako sa doteraz myslelo.
Inerciálne obmedzenie pre fúziu laserom
Prvá metóda je založená na takzvanom zotrvačnom zábere. Pomocou najsilnejších laserov na Zemi sa v laboratóriu umelo vytvorí kúsok slnka. Neodymový sklenený laser v pevnej fáze je ideálny na reprodukciu najvyšších teplôt, ktoré sa vyskytujú iba v hviezdnych jadrách. Pri experimente sa používajú laserové systémy veľké ako dobrá továreň; batéria laserov v takomto systéme vystreľuje sériu paralelných lúčov do dlhého tunela. Tieto silné laserové lúče sa potom odrážajú od systému malých zrkadiel pripevnených okolo sférického objemu. Zrkadlá presne zaostria všetky laserové lúče a nasmerujú ich na malú guľôčku materiálu bohatého na vodík (napríklad deuterid lítny, aktívna zložka vo vodíkovej bombe). Vedci zvyčajne používajú guľôčku s veľkosťou špendlíkovej hlavičky a vážia iba okolo 10 mg.
Laserový záblesk okamžite zahreje povrch gule, čo spôsobí odparenie vrchnej vrstvy látky a guľka sa prudko zrúti. „Zrúti sa“a výsledná rázová vlna sa dostane do samého stredu a spôsobí, že teplota vo vnútri gule vyskočí až na milióny stupňov - na úroveň potrebnú na fúziu jadier vodíka a vytvorenie jadier hélia. Teplota a tlak dosahujú také astronomické hodnoty, že je splnené Lawsonovo kritérium, rovnaké ako pri jadrách hviezd a pri výbuchoch vodíkových bômb. (Lawsonovo kritérium uvádza, že je potrebné dosiahnuť určité úrovne teploty, hustoty a retenčného času, aby sa mohla spustiť reakcia termonukleárnej fúzie vo vodíkovej bombe, hviezde alebo reaktore.)
V procese zotrvačného zadržiavania termonukleárnej fúzie sa uvoľňuje obrovské množstvo energie, a to aj vo forme neutrónov. (Teplota deuteridu lítneho môže dosiahnuť 100 miliónov stupňov Celzia a hustota je dvadsaťkrát vyššia ako hustota olova.) Z gule je výbuch neutrónového žiarenia. Neutróny spadajú do sférickej „pokrývky“hmoty, ktorá obklopuje komoru reaktora, a zahrievajú ju. Potom sa výsledné teplo použije na varenie vody a para sa už môže použiť na otáčanie turbíny a výrobu elektriny.
Problémom však je zamerať vysokoenergetické lúče a rovnomerne šíriť ich žiarenie po povrchu malej guľôčky. Prvým veľkým pokusom o laserovú fúziu bol Shiva, dvadsaťpaprskový laserový systém postavený v Národnom laboratóriu Lawrenca Livermora (LLNL) a uvedený do života v roku 1978 (Shiva je viacramenná bohyňa hinduistického panteónu, ktorá pripomína viacpaprskový laserový systém.) „Šiva“sa odrádzala; napriek tomu s jeho pomocou bolo možné dokázať, že laserová termonukleárna fúzia je technicky možná. Neskôr bol „Šiva“nahradený laserom „Nova“, ktorý desaťnásobne prevyšoval výkon „Šivu“. Ale „Nova“nebola schopná zabezpečiť správne zapálenie vodíkovej gule. Však,oba tieto systémy pripravili pôdu pre cielený výskum v novom národnom zapaľovači (NIF), ktorého výstavba sa začala v LLNL v roku 1997.
Očakáva sa, že NIF začne pracovať v roku 2009. Tento obludný stroj je batéria 192 laserov, ktoré za krátky impulz vyprodukujú enormný výkon 700 biliónov wattov (celkový výkon približne 70 000 veľkých jadrových energetických jednotiek). Jedná sa o najmodernejší laserový systém navrhnutý špeciálne pre kompletnú fúziu guľôčok nasýtených vodíkom. (Kritici tiež poukazujú na jeho zrejmý vojenský význam - koniec koncov, takýto systém je schopný simulovať proces detonácie vodíkovej bomby; možno vytvorí nový typ jadrovej zbrane - bombu založenú výlučne na procese fúzie, ktorý už na vybuchnutie nevyžaduje atómový náboj uránu alebo plutónia.)
Ale ani systém NIF, navrhnutý na podporu procesu termonukleárnej fúzie a obsahujúci najsilnejšie lasery na Zemi, nedokáže ani zďaleka porovnať svoju silu s ničivou silou Hviezdy smrti, ktorú poznáme z Hviezdnych vojen. Aby sme vytvorili takéto zariadenie, budeme musieť hľadať ďalšie zdroje energie.
Magnetický obal na fúziu
Druhá metóda, ktorú by vedci mohli v zásade použiť na dodanie energie Ride smrti, je známa ako magnetické obmedzenie - proces, pri ktorom sa horúca vodíková plazma drží na mieste magnetickým poľom.
Táto metóda bude pravdepodobne slúžiť ako prototyp prvých komerčných termonukleárnych reaktorov. V súčasnosti najpokročilejším projektom tohto typu je Medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor (ITER). V roku 2006 sa niekoľko krajín (vrátane Európskej únie, USA, Číny, Japonska, Kórey, Ruska a Indie) rozhodlo postaviť takýto reaktor v juhofrancúzskom Cadarache. V ňom sa musí vodík zahriať na 100 miliónov stupňov Celzia. Je možné, že sa ITER stane prvým termonukleárnym reaktorom v histórii, ktorý bude schopný vyrobiť viac energie, ako spotrebuje. Je navrhnutý tak, aby produkoval 500 MW energie za 500 sekúnd (aktuálny rekord je 16 MW za jednu sekundu). Plánuje sa, že prvá plazma sa bude vyrábať na ITER do roku 2016,a inštalácia bude plne funkčná v roku 2022. Projekt má hodnotu 12 miliárd dolárov a je tretím najdrahším vedeckým projektom v histórii (po projekte Manhattan a Medzinárodnej vesmírnej stanici).
Vzhľadovo vyzerá inštalácia ITER ako veľká šiška, ktorá je z vonkajšej strany opletená obrovskými krúžkami elektrického vinutia; vodík cirkuluje vo vnútri šišky. Vinutie sa ochladí na stav supravodivosti a potom sa do neho načerpá obrovské množstvo elektriny, čím sa vytvorí magnetické pole, ktoré drží plazmu vo vnútri šišky. Keď elektrický prúd prechádza priamo cez šišku, plyn vo vnútri sa zahrieva na hviezdne teploty.
Dôvod, prečo sa vedci tak zaujímajú o projekt ITER, je jednoduchý: z dlhodobého hľadiska sľubuje vytvorenie lacných zdrojov energie. Fúzne reaktory sú poháňané obyčajnou morskou vodou bohatou na vodík. Ukazuje sa, aspoň na papieri, že termonukleárna fúzia nám môže poskytnúť lacný a nevyčerpateľný zdroj energie.
Prečo teda stále nemáme fúzne reaktory? Prečo je to už niekoľko desaťročí - od okamihu v 50. rokoch. bol vypracovaný procesný diagram - nemôžeme dosiahnuť skutočné výsledky? Problém je v tom, že je neuveriteľne ťažké rovnomerne stlačiť vodíkové palivo. V jadrách hviezd gravitácia núti vodík nadobudnúť ideálny sférický tvar, v dôsledku čoho sa plyn zahrieva čisto a rovnomerne.
Laserová termonukleárna fúzia v NIF vyžaduje, aby laserové lúče, ktoré zapaľujú povrch vodíkovej gule, boli úplne rovnaké, čo je mimoriadne ťažké dosiahnuť. V inštaláciách s magnetickým obmedzením zohráva dôležitú úlohu skutočnosť, že magnetické pole má severný a južný pól; vo výsledku je mimoriadne ťažké rovnomerne stlačiť plyn do správnej sféry.
Najlepšie, čo dokážeme vytvoriť, je magnetické pole v tvare šišky. Ale proces stlačenia plynu je ako stlačenie balónu v rukách. Zakaždým, keď stlačíte loptu z jedného konca, vzduch ju vytlačí na iné miesto. Stlačiť loptu súčasne a rovnomerne vo všetkých smeroch nie je ľahká úloha. Horúci plyn zvyčajne uniká z magnetickej fľaše; skôr či neskôr sa dostane k stenám reaktora a proces termonukleárnej fúzie sa zastaví. Preto je také ťažké dostatočne stlačiť vodík a udržať ho stlačený čo i len na sekundu.
Na rozdiel od moderných jadrových elektrární, kde dochádza k štiepeniu atómov, nebude fúzny reaktor produkovať veľké množstvo jadrového odpadu. (Každá z tradičných jadrových blokov produkuje 30 ton mimoriadne nebezpečného jadrového odpadu ročne. Naopak, jadrový odpad z fúzneho reaktora bude väčšinou rádioaktívna oceľ, ktorá po jeho demontáži zostane.)
Nemali by sme dúfať, že termonukleárna fúzia v blízkej budúcnosti úplne vyrieši energetické problémy Zeme. Francúz Pierre-Gilles de Gennes, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku, hovorí: „Hovoríme, že vložíme slnko do škatule. Pekná myšlienka. Problém je v tom, že nevieme, ako vyrobiť tento box. ““Vedci však dúfajú, že ak všetko dobre dopadne, ITER za štyridsať rokov pomôže vedcom pripraviť pôdu pre komerčnú výrobu termonukleárnej energie - energie, ktorá by jedného dňa mohla byť zdrojom elektriny pre naše domácnosti. Možno niekedy fúzne reaktory umožnia nám na Zemi bezpečne využívať hviezdnu energiu, a tým zmierňovať naše energetické problémy. Ale ani magneticky uzavreté termonukleárne reaktory nebudú schopné poháňať zbrane ako Hviezda smrti. Bude si to vyžadovať úplne nový vývoj.
Jadrové pumpy röntgenové lasery
Existuje ďalšia možnosť zostrojenia laserového dela Death Star na základe dnešnej technológie - pomocou vodíkovej bomby. Batéria röntgenových laserov, ktoré využívajú a sústreďujú silu jadrových zbraní, by teoreticky mohla poskytnúť dostatok energie na prevádzku zariadenia schopného odpáliť celú planétu.
Jadrové reakcie uvoľňujú asi 100 miliónovkrát viac energie na jednotku hmotnosti ako chemické. Kúsok obohateného uránu, ktorý nie je väčší ako tenisová loptička, by stačil na to, aby spálilo celé mesto vo víchrici víru, a to napriek tomu, že iba 1% uránovej hmoty sa premení na energiu. Ako sme už povedali, existuje veľa spôsobov, ako pumpovať energiu do pracovnej tekutiny lasera, a teda do laserového lúča. Najsilnejšou z týchto metód - oveľa silnejšou ako ktorákoľvek z ostatných - je využitie energie jadrovej bomby.
Röntgenové lasery majú mimoriadny význam, vojenský aj vedecký. Veľmi krátka vlnová dĺžka röntgenového žiarenia umožňuje použitie týchto laserov na sondovanie na atómové vzdialenosti a na dešifrovanie atómovej štruktúry komplexných molekúl, čo je pri bežných metódach mimoriadne ťažké. Schopnosť „vidieť“atómy v pohybe a rozlišovať medzi ich umiestnením v molekule nás núti pozerať sa na chemické reakcie úplne novým spôsobom.
Vodíková bomba vydáva ohromné množstvo energie vo forme röntgenových lúčov, takže röntgenové lasery je možné pumpovať energiou nukleárneho výbuchu. Vo vede sú röntgenové lasery najužšie spojené s Edwardom Tellerom, „otcom“vodíkovej bomby.
Mimochodom, v 50. rokoch to bol Teller. pred Kongresom vypovedal, že Robertovi Oppenheimerovi, ktorý v minulosti šéfoval projektu Manhattan, nie je možné kvôli jeho politickým názorom zveriť ďalšie práce na vodíkovej bombe. Svedectvo Tellera malo za následok očierňovanie Oppenheimera a odmietnutie prístupu k utajovaným materiálom; mnohí prominentní fyzici nikdy nedokázali Tellerovi odpustiť.
(Moje vlastné kontakty s Tellerom sa začali na strednej škole. Potom som uskutočnil sériu experimentov o podstate antihmoty, získal som hlavnú cenu na San Francisco Science Fair a výlet na Národný vedecký veľtrh v Albuquerque v Novom Mexiku. Spolu s Tellerom, ktorý sa vždy venoval talentovaným mladým fyzikom, zúčastnil som sa miestneho televízneho programu. Neskôr som dostal Hertzove inžinierske štipendium od Tellera, ktoré mi pomohlo zaplatiť za štúdium na Harvarde. Niekoľkokrát do roka som šiel do Tellerovho domu v Berkeley a tam poznal bližšie svoju rodinu.)
Röntgenový laser Teller je v zásade malá jadrová bomba obklopená medenými tyčami. Výbuch jadrovej zbrane generuje sférickú tlakovú vlnu intenzívneho röntgenového žiarenia. Tieto vysokoenergetické lúče prechádzajú medenými tyčami, ktoré fungujú ako pracovná tekutina lasera a zameriavajú röntgenovú energiu na silné lúče. Výsledné röntgenové lúče sa potom dajú nasmerovať na nepriateľské hlavice. Takéto zariadenie je samozrejme možné použiť iba raz, pretože jadrový výbuch by röntgenový laser sám zničil.
Prvý röntgenový laserový test, nazývaný Cabraov test (Calba), sa uskutočnil v roku 1983. V podzemnej bani bola odpálená vodíková bomba, z ktorej bol potom zameraný náhodný prúd röntgenových lúčov a prevedený na koherentný röntgenový laserový lúč. Testy sa spočiatku považovali za úspešné; vlastne tento úspech v roku 1983 inšpiroval prezidenta Reagana k historickému vyhláseniu o zámere postaviť obranný štít z Hviezdnych vojen. Spustil sa tak program za niekoľko miliárd dolárov na vybudovanie siete zariadení, ako sú röntgenové lasery čerpané z jadra, na zostreľovanie nepriateľských ICBM. Práce v rámci tohto programu pokračujú dodnes. (Neskôr sa ukázalo, že senzor určený na registráciu a meranie žiarenia počas historického testu,bol zničený; takže jeho svedectvu nebolo možné uveriť.)
Je skutočne možné zostreliť hlavice balistických rakiet takýmto netriviálnym zariadením? Nie je to vylúčené. Nemalo by sa však zabúdať, že nepriateľ môže prísť s mnohými jednoduchými a lacnými spôsobmi, ako tieto zbrane zneškodniť (napríklad by bolo možné oklamať radar vypálením miliónov lacných vábničiek alebo roztočiť hlavicu tak, aby rozptýlilo röntgenové lúče týmto spôsobom, alebo prísť s chemickým povlakom, ktorý by chránil hlavicu pred röntgenom). Nakoniec mohol nepriateľ jednoducho hromadne vyrábať hlavice, ktoré by prerazili štít Hviezdnych vojen jednoducho podľa ich samotného počtu.
Preto röntgenové lasery čerpané z jadra nie sú v súčasnosti schopné chrániť sa pred raketovými útokmi. Je však možné na ich základe vytvoriť Hviezdu smrti schopnú zničiť celú planétu alebo sa stať účinným prostriedkom ochrany pred blížiacim sa asteroidom?
Fyzika hviezdy smrti
Je možné vytvoriť zbraň schopnú zničiť celú planétu, ako napríklad v Hviezdnych vojnách? Odpoveď je teoreticky jednoduchá: áno. A to hneď niekoľkými spôsobmi.
Neexistujú žiadne fyzické obmedzenia pre energiu uvoľnenú výbuchom vodíkovej bomby. Takto to chodí. (Podrobný popis vodíkovej bomby je americká vláda aj dnes klasifikovaná ako najvyššia kategória utajenia, ale všeobecne je jej zariadenie dobre známe.) Vodíková bomba sa vyrába v niekoľkých etapách. Kombináciou požadovaného počtu stupňov v správnom poradí môžete získať jadrovú bombu takmer akejkoľvek vopred určenej sily.
Prvý stupeň je štandardná štiepna bomba alebo atómová bomba; využíva energiu uránu-235 na generovanie röntgenových lúčov, ako sa to stalo v Hirošime. V zlomku sekundy pred výbuchom atómovej bomby je všetko roztrhané na kúsky, objaví sa rozširujúca sa sféra silného röntgenového pulzu. Toto žiarenie predbehne skutočnú explóziu (pretože sa pohybuje rýchlosťou svetla); podarí sa im to znova zamerať a poslať do nádoby s deuteridom lítnym, účinnou látkou vodíkovej bomby. (Ako sa to presne deje, je stále štátnym tajomstvom.) Röntgenové lúče dopadajú na deuterid lítny, čo spôsobí jeho okamžité zmenšenie a zahriatie na milióny stupňov, čo spôsobí druhý výbuch, oveľa silnejší ako ten prvý. Röntgenový lúč prasknutý v dôsledku tejto druhej explóziepotom sa môžete znova zamerať na druhú dávku deuteridu lítneho a spôsobiť tretiu explóziu. Tu je princíp, podľa ktorého môžete vedľa seba umiestniť veľa nádob s deuteridom lítnym a získať vodíkovú bombu nepredstaviteľnej sily. Najmocnejšou bombou v histórii ľudstva bola teda dvojstupňová vodíková bomba, ktorú v roku 1961 odpálil Sovietsky zväz. Potom došlo k výbuchu s kapacitou 50 miliónov ton TNT, aj keď teoreticky bola táto bomba schopná poskytnúť výkon viac ako 100 megaton TNT (čo je asi 5 000-krát viac ako sila bomby zhodená na Hirošimu).najsilnejšou bombou v histórii ľudstva bola dvojstupňová vodíková bomba, ktorú v roku 1961 odpálil Sovietsky zväz. Potom došlo k výbuchu s kapacitou 50 miliónov ton ekvivalentu TNT, aj keď teoreticky bola táto bomba schopná poskytnúť výkon viac ako 100 megaton TNT (čo je asi 5 000-krát viac ako sila bomby zhodená na Hirošimu).najsilnejšou bombou v histórii ľudstva bola dvojstupňová vodíková bomba, ktorú v roku 1961 odpálil Sovietsky zväz. Potom došlo k výbuchu s kapacitou 50 miliónov ton TNT, aj keď teoreticky bola táto bomba schopná poskytnúť výkon viac ako 100 megaton TNT (čo je asi 5 000-krát viac ako sila bomby zhodená na Hirošimu).
Na zapálenie celej planéty sú však potrebné úplne iné sily. Aby to mohla urobiť, musela by Hviezda smrti vypustiť do vesmíru tisíce takýchto röntgenových laserov, ktoré by potom museli byť vystrelené súčasne. (Pre porovnanie, na vrchole studenej vojny si USA a Sovietsky zväz vytvorili asi 30 000 jadrových bômb.) Kombinovaná energia takého množstva röntgenových laserov by stačila na zapálenie povrchu planéty. Preto by Galaktická ríša budúcnosti, stovky tisíc rokov vzdialená od nás, mohla, samozrejme, vytvoriť takúto zbraň.
Pre vysoko rozvinutú civilizáciu existuje ďalší spôsob: vytvoriť Hviezdu smrti, ktorá by využívala energiu kozmického zdroja gama zábleskov. Z takejto Hviezdy smrti by vychádzal výbuch žiarenia, druhý po moci až po Veľký tresk. Zdroje gama lúčov sú prirodzeným javom, existujú vo vesmíre; Napriek tomu je možné, že niekedy rozvinutá civilizácia dokáže využiť svoju obrovskú energiu. Je možné, že ak prevezmete kontrolu nad rotáciou hviezdy dlho pred jej zrútením a zrodom hypernovy, potom bude možné nasmerovať „záber“zdroja gama zábleskov na ľubovoľné miesto vo vesmíre.
Zdroje gama zábleskov
Kozmické zdroje GRB boli prvýkrát zaznamenané v 70. rokoch. o satelitoch Vela vypustených americkými vojenskými satelitmi, určených na detekciu „ďalších zábleskov“- dôkaz nelegálneho výbuchu jadrovej bomby. Ale namiesto svetiel na povrchu Zeme satelity detekovali obrovské výbuchy žiarenia z vesmíru. Počiatočný objav prekvapenia vyvolal v Pentagóne paniku: testujú Sovieti nové jadrové zbrane v hlbokom vesmíre? Neskôr sa zistilo, že výbuchy pochádzajú rovnomerne zo všetkých smerov nebeskej sféry; to znamenalo, že skutočne prichádzali do galaxie Mliečna cesta zvonku. Ale ak predpokladáme skutočne extragalaktický pôvod výbuchov, potom sa ich sila ukáže ako skutočne astronomická - koniec koncov sú schopní „osvetliť“celý viditeľný vesmír.
Po rozpade Sovietskeho zväzu v roku 1990 Pentagón nečakane odtajnil obrovské množstvo astronomických údajov. Astronómovia boli ohromení. Zrazu si uvedomili, že čelia novému záhadnému úkazu od tých, ktorí sú z času na čas nútení prepisovať učebnice a príručky.
Trvanie zábleskov gama žiarenia je krátke, pohybuje sa od niekoľkých sekúnd do niekoľkých minút, takže na ich detekciu a analýzu je potrebný starostlivo usporiadaný systém senzorov. Najskôr satelity zaregistrujú výbuch gama žiarenia a pošlú presné súradnice zdroja na Zem. Získané súradnice sa prenášajú do optických alebo rádiových ďalekohľadov, ktoré zase zameriavajú na určený bod v nebeskej sfére.
Aj keď v súčasnosti nie je všetko známe o gama zábleskoch, jedna z teórií ich pôvodu hovorí, že zdrojmi gama zábleskov sú „hypernovy“mimoriadnej sily zanechávajúce za sebou obrovské čierne diery. V tomto prípade sa ukazuje, že zdrojmi výbuchov gama žiarenia sú obludné čierne diery v štádiu formovania.
Ale čierne diery vyžarujú dva prúdy, dva prúdy žiarenia, z južného pólu a zo severu, ako rotujúci vrchol. Žiarenie gama záblesku, ktoré registrujeme, zjavne patrí k jednému z týchto prúdov - tomu, ktorý sa ukázal byť nasmerovaný k Zemi. Keby bol tok gama žiarenia z takého zdroja nasmerovaný presne na Zem a samotný zdroj by bol v našej galaktickej blízkosti (vo vzdialenosti niekoľkých stoviek svetelných rokov od Zeme), stačila by jeho sila na úplné zničenie života na našej planéte.
Po prvé, elektromagnetický impulz vytvorený röntgenovými lúčmi zo zdroja gama záblesku by deaktivoval všetky elektronické zariadenia na Zemi. Silný lúč röntgenových lúčov a gama žiarenie by spôsobili nenapraviteľné škody na zemskej atmosfére a zničili ochrannú ozónovú vrstvu. Potom by prúd gama lúčov zahrial zemský povrch a spôsobil príšerné búrky, ktoré by nakoniec pohltili celú planétu. Možno by zdroj výbojov gama žiarenia nevystrelil planétu, ako ukazuje film „Star Wars“, ale určite by zničil všetok život na nej a zanechal po sebe spálenú púšť.
Dá sa predpokladať, že civilizácia, ktorá nás predbehla vo vývoji o stovky miliónov rokov, sa naučí nasmerovať také čierne diery na požadovaný cieľ. To sa dá dosiahnuť naučením sa ovládať pohyb planét a neutrónových hviezd a nasmerovať ich na umierajúcu hviezdu v presne vypočítanom uhle tesne pred zrútením. Bude stačiť pomerne malé úsilie na vychýlenie osi rotácie hviezdy a jej nasmerovanie do požadovaného smeru. Potom sa zomierajúca hviezda zmení na najväčšie lúčové delo, aké si možno predstaviť.
Zhrňte. Používanie výkonných laserov na výrobu prenosných alebo ručných lúčových zbraní a svetelných mečov by sa malo klasifikovať ako nemožnosť triedy I - s najväčšou pravdepodobnosťou to bude možné v blízkej budúcnosti, alebo, povedzme, o ďalších sto rokov. Ale nesmierne náročná úloha zamerať rotujúcu hviezdu pred jej výbuchom a premeniť ju na čiernu dieru, t. J. Premeniť ju na Hviezdu smrti, by sa mala považovať za nemožnosť II. Triedy - niečo, čo zjavne neprotirečí fyzikálnym zákonom (zdroje žiarenia gama žiarenia koniec koncov existujú v skutočnosti), ale dá sa realizovať až ďaleko v budúcnosti, po tisícoch alebo dokonca miliónoch rokov.
Z knihy: „Fyzika nemožného“.