Death Star är ett kolossalt vapen på storleken av en bra måne. Att skjuta tomt på den försvarslösa planeten Alderaan, hemlandet till prinsessan Leia, förstör Death Star det helt. Planeten försvinner i lågorna av en titanisk explosion och sprider skräp genom solsystemet. En miljard själar skriker samtidigt i ångest och orsakar upprördhet i kraften som känns var som helst i galaxen.
Men är ett vapen som Death Star från Star Wars-filmen verkligen möjligt? Är det möjligt att organisera och rikta ett batteri av laserkanoner så att en hel planet avdunstar som ett resultat? Vad sägs om de berömda ljussablarna som Luke Skywalker och Darth Vader använde, som är en ljusstråle men som enkelt kan skäras genom pansarstål? Kommer rayguns, precis som fasarna i Star Trek, att bli rätt vapen för kommande generationer av brottsbekämpning och soldater?
De nya, originella och fantastiska Star Wars-specialeffekterna gjorde ett övertygande intryck på miljontals tittare, men kritikerna hade en annan åsikt. Några av dem hävdade att ja, naturligtvis, filmskaparna uppriktigt försökte underhålla tittaren, men faktiskt är sådana saker helt omöjliga. Kritiker tröttnade aldrig på att upprepa som en besvärjelse: strålkanoner på månens storlek, som kan blåsa en hel planet i små bitar, är något okänt; svärd från en plötsligt härdande ljusstråle är också omöjliga. Allt detta är för mycket även för en avlägsen, avlägsen galax. Den här gången gled George Lucas, den hyllade specialeffektmästaren, lite.
Det kan vara svårt att tro, men en obegränsad mängd energi kan "stoppas" i en ljusstråle; det finns inga fysiska begränsningar. Skapandet av en Death Star eller ljussabel strider inte mot fysikens lagar. Dessutom finns strålar av gammastrålning som kan spränga planeten faktiskt i naturen. Den titaniska strålningsutbrottet som genereras av en avlägsen mystisk källa till gammastrålningsutbrott kan skapa en explosion i djupt utrymme, näst bara i kraft till Big Bang själv. Varje planet som lyckas vara i sikte på en sådan "pistol" kommer faktiskt att stekas eller rivas i bitar.
Beam vapen i historien
Drömmen om att utnyttja strålningsenergi är inte riktigt ny alls; dess rötter går tillbaka till forntida religion och mytologi. Den grekiska guden Zeus är känd för att skjuta dödliga med blixtar. Den norra guden Thor använde en magisk hammare, Mjellnir, som kunde kasta blixt, medan den hinduiska guden Indra avfyrade en energistråle från ett magiskt spjut.
Idén om strålen som ett verkligt praktiskt vapen uppträdde först i verk av den stora grekiska matematikern Archimedes, kanske den största antikens forskare, som lyckades utveckla sin egen version av primitiv differentiell kalkyl två tusen år före Newton och Leibniz. Man tror att i den legendariska striden 214 f. Kr. mot den romerska generalen Marcellus trupper under andra puniska kriget, hjälpte Archimedes till att försvara Syracuse-riket, byggde ett stort batteri av solreflektorer, fokuserade solens strålar på fiendens skepps segel och därmed satte dem i brand. (Forskare diskuterar fortfarande om ett sådant strålvapen faktiskt skulle kunna fungera. Flera grupper av forskare har försökt, med varierande resultat, att replikera denna prestation.)
Kampanjvideo:
Strålepistoler träffade science fiction-sidorna 1889 med HG Wells klassiska världskrig. I den här romanen förstörde utlänningar från Mars hela städer genom att rikta strålar av termisk energi från kanoner monterade på sina stativ till dem. Under andra världskriget experimenterade nazisterna, alltid redo att undersöka och anta de senaste tekniska framstegen för att kunna använda dem för att erövra världen, med olika typer av strålpistoler, inklusive akustiska enheter som fokuserade kraftfulla ljudstrålar med parabolspeglar.
Vapnet, som är en fokuserad ljusstråle, fångade allmänhetens fantasi efter lanseringen av James Bond-filmen Goldfinger; det var den första Hollywood-filmen med en laser. (I den var den legendariska brittiska spionen bunden till ett metallbord och en kraftfull laserstråle närmade sig långsamt honom och smälte gradvis bordet mellan benen och hotade att skära hjälten i hälften.
Inledningsvis skrattade fysiker bara tanken på strålpistoler, uttryckt i Wells roman, eftersom sådana vapen bryter mot kända optiklagar. Enligt Maxwells ekvationer är ljuset som vi ser omkring oss osammanhängande (dvs. det är en virvel av vågor med olika frekvenser och faser) och sprids snabbt. Man trodde en gång att en sammanhängande, fokuserad, enhetlig ljusstråle - som en laserstråle - var omöjlig att uppnå.
Kvantrevolution
Allt förändrades efter kvantteoriens tillkomst. Redan i början av XX-talet. det blev klart att även om Newtons lagar och Maxwells ekvationer mycket framgångsrikt beskriver planeternas rörelse och ljusets beteende, så finns det en hel klass fenomen som de inte kan förklara. Tyvärr sa de ingenting om varför material leder elektricitet, varför metaller smälter vid vissa temperaturer, varför gaser avger ljus vid upphettning, varför vissa ämnen blir supraledande vid låga temperaturer. För att svara på någon av dessa frågor är det nödvändigt att förstå atomernas interna dynamik. Revolutionen är mogen. Newtons fysik, efter 250 års dominans, väntade på att den skulle störtas; samtidigt skulle den gamla idolens kollaps innebära början på arbetets smärtor för den nya fysiken.
År 1900 föreslog Max Planck i Tyskland att energi inte är kontinuerlig, som Newton trodde, utan existerar i form av små diskreta "delar" som kallas "quanta". År 1905 postulerade Einstein att ljus också består av dessa små diskreta paket (eller kvanta), senare kallade fotoner. Med denna enkla men kraftfulla idé kunde Einstein förklara den fotoelektriska effekten, nämligen varför metaller, när de bestrålas med ljus, avger elektroner. Idag är den fotoelektriska effekten och foton grunden för TV, lasrar, solpaneler och mycket av modern elektronik. (Einsteins teori om foton var så revolutionerande att även Max Planck, som vanligtvis starkt stödde Einstein, först inte kunde tro på det. Planck skrev om Einstein:”Faktumatt han ibland saknar … som han till exempel gjorde med hypotesen om ljuskvanta, man kan inte med all samvete skylla honom. ")
Sedan 1913 gav den danska fysikern Niels Bohr oss en helt ny bild av atomen; Bohrs atom liknade ett miniatyr solsystem. Men till skillnad från det verkliga solsystemet kan elektroner i en atom bara röra sig runt kärnan inom diskreta banor eller skal. När en elektron "hoppar" från ett skal till ett annat, som är närmare kärnan och har mindre energi, avger den en foton av energi. Omvänt, när en elektron absorberar en foton med en viss energi, "hoppar" den högre, till ett skal som är längre bort från kärnan och har en högre energi.
År 1925, med tillkomsten av kvantmekanik och det revolutionära arbetet av Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg och många andra, föddes en nästan fullständig teori om atomen. Enligt kvantteorin var en elektron en partikel, men den hade också en associerad våg, vilket gav den både egenskaperna hos en partikel och en våg. Denna våg följde den så kallade Schrödinger-vågekvationen, som gjorde det möjligt att beräkna atomens egenskaper, inklusive alla "hopp" av elektroner som postulerats av Bohr.
Fram till 1925 ansågs atomer vara mystiska föremål; många, som filosofen Ernst Mach, trodde inte alls på deras existens. Efter 1925 fick människan möjlighet att inte bara titta djupt in i atomens dynamik utan också att förutsäga dess egenskaper ganska tillförlitligt. Överraskande betydde detta att man med en tillräckligt kraftfull dator till hands kunde härleda egenskaperna hos kemiska element direkt från kvantteorins lagar. Precis som Newtons fysik, med en tillräckligt stor datormaskin, skulle tillåta forskare att beräkna rörelsen för alla himmellegemer i universum, gjorde kvantfysik enligt forskare i princip möjligt att beräkna alla egenskaperna hos de kemiska elementen i universum utan undantag. Dessutom har du en tillräckligt kraftfull dator,man kan komponera en människas fullvågsfunktion.
Masers och lasrar
1953 lyckades professor Charles Townes vid University of California i Berkeley tillsammans med sina kollegor få den första strålen av sammanhängande strålning, nämligen mikrovågor. Enheten kallades en maser (maser - efter de första bokstäverna i orden i frasen "mikrovågsförstärkning genom stimulerad strålningsemission", dvs "förstärkning av mikrovågor genom stimulering av strålning.") Senare, 1964, Townes, tillsammans med ryska fysiker Nikolai Basov och Alexander Prokhorov fick Nobelpriset. Snart utvidgades forskarnas resultat till synligt ljus. Lasern föddes. (Phaser, å andra sidan, är en fantastisk enhet känd av Star Trek.)
Grunden för lasern är ett speciellt medium som faktiskt kommer att överföra laserstrålen; det kan vara en speciell gas, kristall eller diod. Då måste du pumpa energi in i denna miljö utifrån - med hjälp av elektricitet, radiovågor, ljus eller en kemisk reaktion. Det oväntade tillströmningen av energi exciterar atomerna i mediet, vilket får elektronerna att absorbera energi och hoppa på de yttre skalen med högre energi.
I ett sådant upphetsat, pumpat tillstånd blir mediet instabilt. Om därefter en ljusstråle skickas genom den, kommer strålens fotoner, som kolliderar med atomerna, att orsaka en plötslig dumpning av elektroner för att sänka banorna och frigöra ytterligare fotoner. Dessa fotoner kommer i sin tur att tvinga ännu fler elektroner att avge fotoner - och snart kommer en kedjereaktion av atomer att "kollapsa" till ett oupphetsat tillstånd att börja med den nästan samtidigt frigörande av en enorm mängd fotoner - biljoner och biljoner av dem - alla i samma stråle. Det grundläggande inslaget i denna process är att i vissa ämnen, med en lavinliknande frisättning, vibrerar alla fotoner tillsammans, det vill säga de är sammanhängande.
(Föreställ dig att domino står i rad. I det lägsta energitillståndet ligger varje knog platt på bordet. I högenergi, uppblåst tillstånd, står knogarna upprätt, som de uppblåsta atomerna i ett medium. Genom att trycka på en knog kan du orsaka en plötslig samtidig frisättning av all denna energi, precis som samma som det händer vid födelsen av en laserstråle.)
Endast ett fåtal material kan arbeta i en laser; detta betyder att endast i speciella ämnen när en foton kolliderar med en exciterad atom avges en foton som är sammanhängande med den första. Denna egenskap hos materia leder till det faktum att alla fotoner i den framväxande strömmen vibrerar tillsammans och skapar en tunn laserstråle. (I motsats till populär förklaring förblir laserstrålen inte alltid så tunn som i början. Till exempel kommer en laserstråle som skjuts ut i månen gradvis att expandera längs vägen och ge en plats flera kilometer i storlek på Månens yta.)
En enkel gaslaser är ett rör fyllt med en blandning av helium och neon. När el passerar genom röret absorberar atomerna energi och blir upphetsade. Sedan, om det plötsligt frigörs all energi som lagras i gasen, föds en stråle av sammanhängande ljus. Denna stråle förstärks av två speglar installerade i båda ändarna av röret, så att strålen reflekteras från dem i sin tur och rusar längs röret från sida till sida. En av speglarna är helt ogenomskinlig, men den andra överför en liten bråkdel av det infallande ljuset och släpper därmed strålen utåt.
Idag finns lasrar överallt - i mataffärskassan, i den fiberoptiska kabeln som ger dig tillgång till Internet, i en laserskrivare eller CD-spelare och i en modern dator. Lasrar används vid ögonkirurgi, borttagning av tatueringar och till och med i skönhetssalonger. År 2004 såldes lasrar över hela världen för mer än 5,4 miljarder dollar.
Typer av lasrar och deras funktioner
Nya lasrar upptäcks nästan varje dag nu; som regel talar vi om upptäckten av ett nytt ämne som kan fungera i en laser, eller uppfinningen av en ny metod för att pumpa energi in i arbetsvätskan.
Frågan är, är dessa tekniker lämpliga för tillverkning av strålpistoler eller ljussabel? Kan du bygga en laser som är tillräckligt stor för att driva Death Star? Idag finns det en häpnadsväckande mängd lasrar som kan klassificeras utifrån arbetsvätskans material och hur pumpas energi (det kan vara elektricitet, en kraftfull ljusstråle, till och med en kemisk explosion). Vi listar flera typer av lasrar.
• Gaslasrar. Denna kategori inkluderar också de extremt vanliga heliumneonlasrarna, som ger en mycket välbekant röd stråle. De pumpas upp med radiovågor eller elektricitet. Helium-neon-lasrar har låg effekt. Men koldioxidgaslasrar kan användas för sprängning, för skärning och smältning av metaller i tung industri; de kan ge en extremt kraftfull och helt osynlig stråle;
• Kemiska lasrar. Dessa kraftfulla lasrar laddas av kemiska reaktioner såsom förbränning av eten och kvävetrifluorid NF3. Dessa lasrar är tillräckligt kraftfulla för att användas inom det militära området. I USA används den kemiska principen för pumpning i luft- och markstridlasrar som kan leverera en kraftstråle i miljontals watt och utformade för att skjuta ner kortdistansmissiler under flygning.
• Excimer-lasrar. Dessa lasrar får också sin energi från en kemisk reaktion, som vanligtvis involverar en inert gas (dvs. argon, krypton eller xenon) och någon form av fluor eller klorid. De avger ultraviolett ljus och kan användas inom elektronikindustrin för att etsa små transistorer på halvledarchips och i ögonkirurgi för känsliga Lasik-operationer.
• Halvledarlaser. Dioderna vi använder så mycket i alla typer av elektroniska apparater kan producera kraftfulla laserstrålar som används inom skär- och svetsindustrin. Samma halvledarlaser fungerar också i kassaregister och läser streckkoder från dina valda produkter.
• Färglasrar. Dessa lasrar använder organiska färgämnen som arbetsmedium. De är extremt användbara för att generera ultrakorta pulser av ljus, som ofta är i storleksordningen en biljondels sekund.
Lasrar och strålpistoler?
Med tanke på det stora utbudet av kommersiella lasrar och kraften hos militära lasrar är det svårt att inte undra varför vi inte har strålpistoler och kanoner som är användbara på slagfältet? I science fiction-filmer tenderar strålpistoler och pistoler av ett eller annat slag att vara de vanligaste och mest välbekanta vapnen. Varför arbetar vi inte för att skapa ett sådant vapen?
Det enkla svaret på denna fråga är att vi inte har tillräckligt med bärbara strömkällor. Detta är ingen bagatell. Strålvapen skulle kräva miniatyrbatterier, storleken på en palm, men som matchar kraften i ett enormt kraftverk. För närvarande är det enda sättet att få kraften från ett stort kraftverk för användning att bygga ett. Och den minsta militära anordningen som kan fungera som en behållare för sådana energier är en miniatyrvätebom, som tyvärr inte bara kan förstöra målet utan också dig själv.
Det finns också ett andra problem - stabiliteten hos det emitterande ämnet eller arbetsvätskan. I teorin finns det ingen gräns för mängden energi som kan pumpas in i en laser. Men problemet är att arbetskroppen hos en handhållen laserpistol skulle vara instabil. Kristalllasrar överhettas till exempel och spricker om du pumpar in för mycket energi i dem. Följaktligen kan det kräva explosiv energi att skapa en extremt kraftfull laser - en som kan förånga ett föremål eller neutralisera en fiende. I det här fallet kan man naturligtvis inte längre tänka på arbetsvätskans stabilitet, eftersom vår laser kommer att vara disponibel.
Problem med skapandet av bärbara kraftkällor och stabila utsläppsmaterial gör det omöjligt med strålpistoler med den nuvarande tekniken. I allmänhet kan du bara skapa en strålepistol om du tar en kabel till den från en strömkälla. Kanske med hjälp av nanoteknik kanske vi en dag kan skapa miniatyrbatterier som kan lagra eller generera energi som skulle räcka för att skapa kraftfulla skurar - ett nödvändigt attribut för handhållna laservapen. För närvarande, som vi har sett, är nanoteknik i sin linda. Ja, forskare har lyckats skapa vissa enheter på atomnivå - väldigt geniala, men helt opraktiska, som atomrubb eller atomgitarr. Men det kan mycket väl hända att vad mer i detta eller, säg,under nästa århundrade kommer nanoteknik verkligen att ge oss miniatyrbatterier för att lagra fantastiska mängder energi.
Ljusskärare har samma problem. När Star Wars släpptes 1970 blev leksakslampor en omedelbar hit hos pojkar. Många kritiker ansåg att det var deras plikt att påpeka att sådana enheter i verkligheten är omöjliga. För det första kan ljus inte stelna. Ljuset rör sig med ljusets hastighet, så det är omöjligt att stelna det. För det andra kan en ljusstråle inte avbrytas plötsligt i rymden, som ljussabel gör i Star Wars. Ljusstrålen kan inte stoppas, den är alltid i rörelse; en riktig ljussabel skulle gå långt upp i himlen.
Det finns faktiskt ett sätt att göra ett slags ljussabel av plasma eller överhettad joniserad gas. Om plasmen värms upp tillräckligt lyser den förresten också i mörkret och skär. En plasmasignal kan vara ett tunt teleskoprör som sträcker sig från ett handtag.
Varm plasma släpps ut i röret från handtaget, som sedan går ut genom små hål längs hela "bladets" längd. Plasman stiger från fästet längs bladet och ut i en lång, glödande cylinder av överhettad gas, varm nog för att smälta stål. En sådan anordning kallas ibland en plasmafackla.
Således kan vi skapa en högenergianordning som liknar en ljussabel. Men här, som i situationen med strålpistoler, måste du först skaffa ett kraftfullt bärbart batteri. Antingen använder du nanoteknik för att skapa ett miniatyrbatteri som kan förse din ljussabel med enorm energi, eller så måste du ansluta den till en strömkälla med en lång kabel.
Så även om strålpistoler och ljussablar kan göras i någon form idag, är de handhållna vapnen vi ser i sci-fi-filmer inte möjliga med den nuvarande teknikens ståndpunkt. Men senare under detta århundrade, eller kanske i nästa år, kan utvecklingen av vetenskapen om material och nanoteknik mycket väl leda till skapandet av en eller annan typ av strålvapen, vilket gör att vi kan definiera det som en omöjlighet i klass I.
Energi för Death Star
För att bygga Death Star, en laserkanon som kan förstöra en hel planet och terrorisera galaxen, som visas i Star Wars, måste du skapa den kraftfullaste tänkbara laser. För närvarande används de mest kraftfulla lasrarna på jorden för att uppnå temperaturer som i naturen bara kan hittas i stjärnornas kärnor. Kanske kan dessa lasrar och fusionsreaktorerna baserade på dem någon gång hjälpa oss på jorden att utnyttja stjärnornas energi.
I fusionsreaktorer försöker forskare reproducera de processer som äger rum i rymden under bildandet av en stjärna. Först framstår stjärnan som en enorm boll av oformat väte. Därefter komprimerar gravitationskrafterna gasen och värmer upp den; gradvis når temperaturen inuti astronomiska värden. Till exempel, djupt i hjärtat av en stjärna kan temperaturen stiga till 50-100 miljoner grader. Det är tillräckligt varmt för att vätekärnorna ska hålla ihop; i detta fall uppträder heliumkärnor och energi frigörs. I processen att smälta helium från väte omvandlas en liten del av massan till energi enligt Einsteins berömda formel E = mc2. Detta är källan från vilken stjärnan hämtar sin energi.
Forskare försöker för närvarande utnyttja kärnfusionens energi på två sätt. Båda vägarna visade sig vara mycket svårare att genomföra än man tidigare trott.
Tröghetsförslutning för laserfusion
Den första metoden baseras på den så kallade tröghetsinneslutningen. Med hjälp av de mest kraftfulla lasrarna på jorden skapas en bit av solen artificiellt i laboratoriet. Solid state neodymglaslasern är perfekt för att återge de högsta temperaturerna som bara finns i stjärnkärnor. Experimentet använder lasersystem som är lika stora som en bra fabrik; ett batteri av lasrar i ett sådant system avfyrar en serie parallella balkar i en lång tunnel. Dessa kraftfulla laserstrålar reflekteras sedan från ett system med små speglar monterade runt den sfäriska volymen. Speglarna fokuserar exakt alla laserstrålar och riktar dem mot en liten boll av vätgasrikt material (som litiumdeuterid, den aktiva ingrediensen i en vätgasbomb). Forskare använder vanligtvis en boll som är lika stor som ett nålhuvud och väger bara cirka 10 mg.
Laserblixten värmer omedelbart upp ytan på bollen, vilket får det översta lagret av ämnet att avdunsta och bollen kollapsar kraftigt. Den "kollapsar", och den resulterande chockvågen når sitt centrum och får temperaturen inuti bollen att hoppa upp till miljoner grader - den nivå som krävs för att fusion av vätekärnor bildar heliumkärnor. Temperatur och tryck når sådana astronomiska värden att Lawson-kriteriet uppfylls, samma som också uppfylls i stjärnkärnorna och i explosionerna av vätgasbomber. (Lawsons kriterium anger att vissa nivåer av temperatur, densitet och retentionstid måste uppnås för att utlösa en termonukleär fusionsreaktion i en vätgasbom, stjärna eller reaktor.)
Under processen för tröghetsbegränsning termonukleär fusion frigörs en enorm mängd energi, inklusive i form av neutroner. (Temperaturen på litiumdeuterid kan nå 100 miljoner grader Celsius, och densiteten är tjugo gånger den för bly.) Ett utbrott av neutronstrålning från kulan uppstår. Neutroner faller in i en sfärisk "filt" av materia som omger reaktorkammaren och värmer upp den. Därefter används den resulterande värmen för att koka vatten och ångan kan redan användas för att rotera turbinen och generera elektricitet.
Problemet är dock att fokusera högenergistrålarna och sprida deras strålning jämnt över ytan på den lilla kulan. Det första stora försöket på laserfusion var Shiva, ett tjugobjäljs lasersystem byggt vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och lanserades 1978 (Shiva är den flerarmade gudinnan för den hinduiska panteonen, som påminner om ett flerstrålesystem.) "Shiva" visade sig vara nedslående; ändå var det med sin hjälp möjligt att bevisa att laser-termonukleär fusion är tekniskt möjlig. Senare ersattes "Shiva" med "Nova" -lasern, som tiofaldigt överträffade "Shiva" vid makten. Men "Nova" kunde inte ge vätkulan rätt tändning. Men,båda dessa system banade väg för målinriktad forskning vid den nya National Ignition Facility (NIF), vars konstruktion började vid LLNL 1997.
NIF förväntas börja arbeta 2009. Denna monströsa maskin är ett batteri på 192 lasrar som producerar en enorm effekt på 700 biljoner watt i en kort puls (den totala effekten på cirka 70 000 stora kärnkraftsenheter). Det är ett toppmodernt lasersystem utformat speciellt för fullständig sammansmältning av vätemättade kulor. (Kritiker pekar också på dess uppenbara militära betydelse - trots allt kan ett sådant system simulera processen att detonera en vätebomb; det kommer kanske att skapa en ny typ av kärnvapen - en bomb baserad uteslutande på fusionsprocessen, som inte längre kräver en uran- eller plutonium-atomladdning för att detonera.)
Men även NIF-systemet, som är utformat för att stödja processen för termonukleär fusion och som innehåller de mest kraftfulla lasrarna på jorden, kan inte ens fjärrmässigt jämföra med den destruktiva kraften från Death Star, känd för oss från Star Wars. För att skapa en sådan enhet måste vi leta efter andra energikällor.
Magnetisk inneslutning för fusion
Den andra metoden som forskare i princip kan använda för att stimulera Death Rides är känd som magnetisk inneslutning - processen genom vilken en het väteplasma hålls på plats av ett magnetfält.
Denna metod kommer, möjligen, att fungera som en prototyp för de första kommersiella termonukleära reaktorerna. För närvarande är det mest avancerade projektet av denna typ International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). År 2006 beslutade flera länder (inklusive Europeiska unionen, USA, Kina, Japan, Korea, Ryssland och Indien) att bygga en sådan reaktor vid Cadarache i södra Frankrike. I det måste väte värmas upp till 100 miljoner grader Celsius. Det är möjligt att ITER blir den första termonukleära reaktorn i historien, som kommer att kunna producera mer energi än den förbrukar. Den är konstruerad för att producera 500 MW effekt på 500 sekunder (nuvarande rekord är 16 MW på en sekund). Det är planerat att den första plasmaproduktionen ska produceras på ITER senast 2016,och installationen kommer att vara fullt operativt 2022. Projektet är värt 12 miljarder dollar och är det tredje dyraste vetenskapsprojektet i historien (efter Manhattanprojektet och den internationella rymdstationen).
Utseendet ser ITER-installationen ut som en stor munk, flätad utanför med stora ringar av elektrisk lindning; väte cirkulerar inuti munken. Lindningen kyls till ett tillstånd av supraledning, och sedan pumpas en enorm mängd elektricitet in i den, vilket skapar ett magnetfält som håller plasma inuti munken. När en elektrisk ström passerar direkt genom munken, värms gasen inuti den upp till fantastiska temperaturer.
Anledningen till att forskare är så intresserade av ITER-projektet är enkel: på lång sikt lovar det att skapa billiga energikällor. Fusionsreaktorer drivs av vanligt havsvatten, rikt på väte. Det visar sig, åtminstone på papper, att termonukleär fusion kan ge oss en billig och outtömlig energikälla.
Så varför har vi fortfarande inte fusionsreaktorer? Varför är det redan flera decennier - sedan ögonblicket på 1950-talet. ett processdiagram utvecklades - kan vi inte få verkliga resultat? Problemet är att vätgas är otroligt svårt att komprimera jämnt. I stjärnkärnorna tvingar tyngdkraften väte att anta en perfekt sfärisk form, vilket får gasen att värmas upp rent och jämnt.
Termonukleär laserfusion i NIF kräver att laserstrålarna som antänder ytan på vätkulan är exakt samma, och detta är extremt svårt att uppnå. I installationer med magnetisk inneslutning spelar det faktum att magnetfältet har nord- och sydpoler en viktig roll; som ett resultat är det extremt svårt att komprimera gasen enhetligt i rätt sfär.
Det bästa vi kan skapa är ett munkformat magnetfält. Men processen att komprimera en gas är som att pressa en ballong i dina händer. Varje gång du pressar bollen från ena änden trycker luften ut den på ett annat ställe. Att komprimera bollen samtidigt och jämnt i alla riktningar är inte en lätt uppgift. Het gas läcker vanligtvis ur magnetflaskan; förr eller senare når den reaktorns väggar och processen för termonukleär fusion slutar. Det är därför det är så svårt att komprimera väte tillräckligt och hålla det komprimerat även i en sekund.
Till skillnad från moderna kärnkraftverk, där klyvning av atomer sker, kommer en fusionsreaktor inte att producera en stor mängd kärnavfall. (Var och en av de traditionella kärnkraftsenheterna producerar 30 ton extremt farligt kärnavfall per år. Däremot kommer kärnavfallet från en fusionsreaktor mestadels att vara radioaktivt stål, som kommer att finnas kvar efter det demonteras.)
Man får inte hoppas att termonukleär fusion helt kommer att lösa jordens energiproblem inom en snar framtid. Fransmannen Pierre-Gilles de Gennes, nobelpristagare i fysik, säger:”Vi säger att vi kommer att lägga solen i en låda. Bra ide. Problemet är att vi inte vet hur man gör den här rutan. Men forskarna hoppas att ITER, om allt går bra, på fyrtio år kommer att hjälpa forskare att bana väg för kommersiell produktion av termonukleär energi - energi som en dag kan vara källan till el för våra hem. En dag kanske fusionsreaktorer tillåter oss på jorden att säkert använda stjärnenergi och därmed mildra våra energiproblem. Men även magnetiskt begränsade termonukleära reaktorer kommer inte att kunna driva vapen som Death Star. Detta kommer att kräva helt nya utvecklingar.
Kärnpumpade röntgenlasrar
Det finns en annan möjlighet att bygga en Death Star-laserkanon baserad på dagens teknik - med hjälp av en vätgasbomb. Ett batteri av röntgenlasrar, som utnyttjar och fokuserar kärnvapnens kraft, skulle i teorin kunna ge tillräckligt med energi för att driva en enhet som kan detonera en hel planet.
Kärnreaktioner frigör cirka 100 miljoner gånger mer energi per massenhet än kemiska. En bit anrikat uran som inte är större än en tennisboll skulle räcka för att bränna en hel stad i en virvelvind, trots att endast 1% av uranmassan omvandlas till energi. Som vi sa finns det många sätt att pumpa energi in i en arbetsfluid och därmed in i laserstrålen. Den kraftfullaste av dessa metoder - mycket kraftfullare än alla andra - är att utnyttja energin från en kärnbom.
Röntgenlasrar är mycket viktiga, både militära och vetenskapliga. Röntgenstrålningens mycket korta våglängd gör det möjligt att använda sådana lasrar för sondering på atomavstånd och dechiffrera atomstrukturen hos komplexa molekyler, vilket är extremt svårt att göra med konventionella metoder. Förmågan att "se" atomer i rörelse och skilja mellan deras placering i en molekyl får oss att titta på kemiska reaktioner på ett helt nytt sätt.
En vätgasbombe avger en enorm mängd energi i form av röntgenstrålar, så röntgenlasrar kan pumpas med energin från en kärnexplosion. Inom vetenskapen är röntgenlasrar närmast associerade med Edward Teller, "far" till vätgasbomben.
Förresten var det Teller på 1950-talet. vittnade inför kongressen att Robert Oppenheimer, som tidigare ledde Manhattan-projektet, inte kunde anförtros ytterligare arbete med vätgasbomben på grund av hans politiska åsikter. Tellers vittnesbörd resulterade i att Oppenheimer förtalades och nekades tillgång till klassificerat material; många framstående fysiker har aldrig kunnat förlåta Teller för detta.
(Mina egna kontakter med Teller började i gymnasiet. Sedan genomförde jag en serie experiment om antimateriens natur, vann huvudpriset på San Francisco Science Fair och en resa till National Science Fair i Albuquerque, New Mexico. Tillsammans med Teller, som alltid uppmärksammade begåvade unga fysiker, jag deltog i ett lokalt tv-program. Senare fick jag ett ingenjörsstipendium från Teller uppkallat efter Hertz, vilket hjälpte mig att betala för mina studier vid Harvard. Flera gånger om året gick jag till Tellers hem i Berkeley, och där lärde känna hans familj nära.)
I princip är Teller-röntgenlaser en liten kärnbomb omgiven av kopparstänger. Explosionen av ett kärnvapen genererar en sfärisk sprängvåg av intensiv röntgenstrålning. Dessa högenergistrålar passerar genom kopparstänger, som fungerar som laserns arbetsvätska och fokuserar röntgenergin till kraftfulla strålar. De resulterande röntgenstrålarna kan sedan riktas mot fiendens stridsspetsar. Naturligtvis kan en sådan anordning bara användas en gång, eftersom en kärnexplosion skulle förstöra röntgenlaser själv.
Det första röntgenlasertestet, kallat Cabra-testet (Calba), genomfördes 1983. En vätgasbomb detonerades i en underjordisk gruva och sedan fokuserades en slumpmässig ström av röntgenstrålar från den och konverterades till en sammanhängande röntgenlaserstråle. Testerna visade sig ursprungligen vara framgångsrika; faktiskt var det denna framgång 1983 som inspirerade president Reagan att göra en historisk avsiktsförklaring att bygga en defensiv sköld från Star Wars. Således lanserades ett program för flera miljarder dollar för att bygga ett nätverk av enheter som kärnpumpade röntgenlasrar för att skjuta ner fiendens ICBM. Arbetet med detta program fortsätter idag. (Senare visade det sig att en sensor konstruerad för att registrera och mäta strålning under ett historiskt test,förstördes; sålunda kunde hans vittnesbörd inte lita på.)
Är det verkligen möjligt att skjuta ner stridshuvuden för ballistiska missiler med en sådan icke-trivial enhet? Det är inte uteslutet. Men det bör inte glömmas bort att fienden kan komma på många enkla och billiga sätt att neutralisera sådana vapen (till exempel kan man lura radarn genom att skjuta miljontals billiga lokkemaskiner; eller få stridsspetsen att snurra för att sprida röntgenstrålar på detta sätt; eller komma med en kemisk beläggning skulle skydda stridsspetsen från röntgen). I slutändan kunde fienden helt enkelt massproducera stridsspetsar som skulle genomtränga Star Wars-skölden helt enkelt med deras stora antal.
Därför kan kärnpumpade röntgenlasrar för närvarande inte skydda mot missilangrepp. Men är det möjligt att på grundval av dem skapa en Death Star som kan förstöra en hel planet eller bli ett effektivt sätt att försvara sig mot en asteroid som närmar sig?
Death Star Physics
Är det möjligt att skapa ett vapen som kan förstöra en hel planet, som i Star Wars? I teorin är svaret enkelt: ja. Och på flera sätt.
Det finns inga fysiska begränsningar för den energi som frigörs genom detoneringen av en vätgasbomb. Så här går det. (Än idag klassificerar den amerikanska regeringen en detaljerad beskrivning av vätgasbomben som en topphemlighet, men i allmänhet är dess anordning välkänd.) En vätgasbomb tillverkas i flera steg. Genom att kombinera det nödvändiga antalet steg i rätt ordning kan du få en kärnbomb med nästan vilken som helst förutbestämd kraft.
Det första steget är en standardklyvningsbomb eller atombomb; den använder uran-235-energin för att generera en röntgenstråle som det hände i Hiroshima. En bråkdels sekund innan explosionen av en atombombe blåser allt i strimlar visas en expanderande sfär med kraftfull röntgenpuls. Denna strålning överträffar den faktiska explosionen (eftersom den rör sig med ljusets hastighet); de lyckas fokusera det igen och skicka det till en behållare med litiumdeuterid, den aktiva substansen i en vätgasbomb. (Exakt hur detta görs är fortfarande en statshemlighet.) Röntgenstrålar faller på litiumdeuteriden och orsakar att den omedelbart kollapsar och värmer upp den till miljontals grader, vilket orsakar en andra explosion, mycket kraftfullare än den första. Röntgenbristningen till följd av denna andra explosionDu kan sedan fokusera om på en andra sats litiumdeuterid och orsaka en tredje explosion. Här är principen genom vilken du kan placera många behållare med litiumdeuterid sida vid sida och få en vätgasbomb med otänkbar kraft. Således var den mest kraftfulla bomben i mänsklighetens historia tvåstegsvätgasbomben, som detonerades 1961 av Sovjetunionen. Sedan uppstod en explosion med en kapacitet på 50 miljoner ton TNT, även om denna bomb teoretiskt sett kunde ge mer än 100 megaton TNT (vilket är ungefär 5000 gånger mer än bombens kraft som släpptes på Hiroshima).den mest kraftfulla bomben i människans historia var den tvåstegs vätgasbomben, som detonerades 1961 av Sovjetunionen. Sedan uppstod en explosion med en kapacitet på 50 miljoner ton TNT, även om denna bomb teoretiskt sett kunde ge mer än 100 megaton TNT (vilket är ungefär 5000 gånger mer än bombens kraft som släpptes på Hiroshima).den mest kraftfulla bomben i människans historia var den tvåstegs vätgasbomben, som detonerades 1961 av Sovjetunionen. Sedan uppstod en explosion med en kapacitet på 50 miljoner ton TNT-ekvivalent, även om denna bomb teoretiskt sett kunde ge en effekt på mer än 100 megaton TNT (vilket är ungefär 5000 gånger mer än bombens kraft som släpptes på Hiroshima).
Men det behövs helt andra krafter för att antända en hel planet. För att göra detta måste Death Star lansera tusentals sådana röntgenlasrar i rymden, som sedan måste avfyras samtidigt. (För jämförelse, säg att USA och Sovjetunionen på höjden av det kalla kriget lagrade cirka 30 000 kärnbomber.) Den kombinerade energin i ett så stort antal röntgenlasrar skulle ha varit tillräckligt för att antända planetens yta. Därför kunde framtidens galaktiska imperium, hundratusentals år långt från oss, naturligtvis skapa ett sådant vapen.
För en högutvecklad civilisation finns det ett annat sätt: att skapa en Death Star som skulle använda energin från en kosmisk källa till gammastrålningsskurar. Från en sådan Death Star skulle ett strålningsutbrott utgå, näst bara vid makten till Big Bang. Källor till gammastrålning är ett naturligt fenomen, de finns i rymden; ändå är det tänkbart att en avancerad civilisation en dag skulle kunna utnyttja deras enorma energi. Det är möjligt att om vi tar kontrollen över en stjärns rotation långt före dess kollaps och en hypernovas födelse, kommer det att vara möjligt att rikta "skottet" från källan till gammastrålning till någon punkt i rymden.
Källor till gammastrålning
Kosmiska källor till GRB märktes först på 1970-talet. på Vela-satelliter som lanserades av amerikanska militärsatelliter, utformade för att upptäcka "extra blixtar" - bevis på en olaglig kärnbombsexplosion. Men istället för fläckar på jordens yta upptäckte satelliter enorma strålningsstrålar från rymden. Den första överraskningsupptäckten utlöste panik vid Pentagon: Testar sovjeterna nya kärnvapen i rymden? Senare konstaterades att skurarna kommer likformigt från alla himmelriktningar; detta innebar att de faktiskt kom till Vintergatan från utsidan. Men om vi antar ett verkligt extragalaktiskt ursprung för skurarna, kommer deras kraft att visa sig vara riktigt astronomisk - trots allt kan de "belysa" hela det synliga universum.
Efter Sovjetunionens kollaps 1990 avklassificerade Pentagon oväntat en enorm mängd astronomiska data. Astronomer blev förvånade. De insåg plötsligt att de stod inför ett nytt mystiskt fenomen från de som då och då tvingas skriva om läroböcker och referensböcker.
Varaktigheten av gammastrålning är kort och sträcker sig från några sekunder till flera minuter, så ett noggrant organiserat sensorsystem behövs för att upptäcka och analysera dem. För det första registrerar satelliter en burst av gammastrålning och skickar de exakta koordinaterna för källan till jorden. De erhållna koordinaterna överförs till optiska eller radioteleskop, som i sin tur riktar sig mot en viss punkt i himmelsfären.
Även om inte allt är känt om gammastrålningsskurar just nu, säger en av teorierna om deras ursprung att källorna till gammastrålningsskurar är "hypernovaer" av extraordinär styrka och lämnar massiva svarta hål. I det här fallet visar det sig att källorna till gammastrålning är monströsa svarta hål i bildningsstadiet.
Men svarta hål avger två strålar, två strålningsströmmar, från sydpolen och från norr, som en snurr. Strålningen från gammastrålningen som vi registrerar tillhör tydligen en av dessa strömmar - den som visade sig vara riktad mot jorden. Om flödet av gammastrålning från en sådan källa riktades exakt till jorden och själva källan befann sig i vår galaktiska omgivning (på ett avstånd av flera hundra ljusår från jorden) skulle dess kraft vara tillräcklig för att helt förstöra livet på vår planet.
Först skulle en elektromagnetisk puls som skapats av röntgenstrålar från en gammastrålningskälla ha inaktiverat all elektronisk utrustning på jorden. En kraftfull röntgenstråle och gammastrålning skulle orsaka irreparabel skada på jordens atmosfär och förstöra det skyddande ozonskiktet. Då skulle en ström av gammastrålar värma upp jordens yta och orsaka monsterfulla eldstormar som så småningom skulle svälja hela planeten. Kanske skulle källan till gammastrålningsskurar inte ha sprängt planeten, som visas i filmen "Star Wars", men den skulle säkert ha förstört allt liv på den och lämnat en förkolnad öken.
Man kan anta att en civilisation som har överträffat oss i utvecklingen med hundratals miljoner år kommer att lära sig att rikta sådana svarta hål till det önskade målet. Detta kan uppnås genom att lära sig att styra planeter och neutronstjärnor och rikta dem till en döende stjärna i en exakt beräknad vinkel strax före kollaps. Relativt liten ansträngning räcker för att avleda stjärnans rotationsaxel och rikta den i önskad riktning. Då blir den döende stjärnan till den största tänkbara strålkanonen.
Sammanfatta. Användningen av kraftfulla lasrar för att skapa bärbara eller handhållna strålvapen och ljussablar bör klassificeras som omöjlighet i klass I - troligtvis kommer detta att bli möjligt inom en snar framtid, eller, säg, under de närmaste hundra åren. Men den extremt svåra uppgiften att rikta en roterande stjärna innan den exploderar och förvandlar den till ett svart hål, dvs. omvandla den till en dödsstjärna, bör betraktas som en omöjlighet av klass II - något som inte klart motsäger fysikens lagar (trots allt finns källorna till gammastrålningsskurar i verkligheten), men kan bara realiseras långt i framtiden, efter tusentals eller till och med miljoner år.
Från boken: "Det omöjliga fysik".
