Death Star er et kolossalt våben på størrelse med en god måne. At skyde blankt på den forsvarsløse planet Alderaan, prinsesse Leias hjemland, ødelægger Death Star det fuldstændigt. Planeten forsvinder i flammerne af en titanisk eksplosion, der spreder snavs gennem solsystemet. En milliard sjæle skriger samtidigt i smerte og forårsager en vrede i styrken, der mærkes overalt i galaksen.
Men er et våben som Death Star fra Star Wars-filmen virkelig muligt? Er det muligt at organisere og dirigere et batteri med laserkanoner, så en hel planet fordamper som følge heraf? Hvad med de berømte lyssværd, som Luke Skywalker og Darth Vader brugte, som er en lysstråle, men som let kan skære gennem pansret stål? Vil rayguns, ligesom faserne i Star Trek, blive det rigtige våben for fremtidige generationer af retshåndhævelse og soldater?
De nye, originale og forbløffende Star Wars-specialeffekter gjorde et overbevisende indtryk på millioner af seere, men kritikere havde en anden mening. Nogle af dem hævdede, at ja, selvfølgelig, filmskaberne oprigtigt forsøgte at underholde seeren, men faktisk er sådanne ting helt umulige. Kritikere er aldrig trætte af at gentage sig som en besværgelse: strålekanoner på størrelse med månen, der er i stand til at sprænge en hel planet i små stykker, er noget uhørt; sværd fra en pludselig størkende lysstråle er også umulige. Alt dette er for meget selv for en fjern, fjern galakse. Denne gang gled George Lucas, den anerkendte mester i specialeffekter, lidt.
Det kan være svært at tro, men en ubegrænset mængde energi kan "stoppes" i en lysstråle; der er ingen fysiske begrænsninger. Oprettelsen af en Death Star eller lyssværd modsiger ikke nogen fysiklove. Desuden findes der stråler af gammastråling, der er i stand til at sprænge planeten, faktisk i naturen. Den titaniske udbrud af stråling, der genereres af en fjern mystisk kilde til gammastråleudbrud, er i stand til at skabe en eksplosion i det dybe rum, som kun er næstmagten til selve Big Bang. Enhver planet, der formår at være i synet af en sådan "pistol", vil faktisk blive stegt eller revet i stykker.
Beam våben i historien
Drømmen om at udnytte strålingsenergi er overhovedet ikke ny; dens rødder går tilbage til gammel religion og mytologi. Den græske gud Zeus er berømt for at skyde dødelige med lyn. Den nordlige gud Thor anvendte en magisk hammer, Mjellnir, der var i stand til at kaste lyn, og den hinduistiske gud Indra fyrede en energistråle fra et magisk spyd.
Idéen om strålen som et ægte praktisk våben dukkede først op i værkerne af den store græske matematiker Archimedes, måske den største videnskabsmand i antikken, der formåede at udvikle sin egen version af den primitive differentiale beregning to tusind år før Newton og Leibniz. Det menes, at i den legendariske kamp i 214 f. Kr. mod tropperne fra den romerske general Marcellus under den anden puniske krig, Archimedes, der hjalp med at forsvare Syracuse-kongeriget, byggede et stort batteri af solreflektorer, fokuserede solens stråler på fjendens skibs sejl og satte dem i brand. (Forskere diskuterer stadig, om et sådant bjælkevåben rent faktisk kunne fungere. Flere grupper af forskere har med forskellige resultater forsøgt at replikere denne præstation.)
Salgsfremmende video:
Strålepistoler ramte siderne af science fiction i 1889 med HG Wells 'klassiske verdens krig. I denne roman ødelagde udlændinge fra Mars hele byer ved at lede bjælker med termisk energi fra kanoner monteret på deres stativer til dem. Under Anden Verdenskrig eksperimenterede nazisterne, altid klar til at undersøge og vedtage de nyeste teknologiske fremskridt for at bruge dem til at erobre verden, med forskellige typer strålepistoler, herunder akustiske enheder, der fokuserede kraftige lydstråler ved hjælp af parabolske spejle.
Våbenet, som er en fokuseret lysstråle, fangede offentlighedens fantasi efter frigivelsen af James Bond-filmen Goldfinger; det var den første Hollywood-film, der indeholdt en laser. (I den blev den legendariske britiske spion bundet til et metalbord, og en kraftig laserstråle nærmede sig langsomt ham og smeltede gradvis bordet mellem benene og truede med at skære helten i halve.)
Oprindeligt lo fysikere kun af ideen om strålepistoler, udtrykt i Wells 'roman, fordi sådanne kanoner overtrådte de kendte optiklove. Ifølge Maxwells ligninger er det lys, vi ser omkring os, usammenhængende (dvs. det er et virvar af bølger med forskellige frekvenser og faser) og forsvinder hurtigt. Man troede engang, at en sammenhængende, fokuseret, ensartet lysstråle - såsom en laserstråle - var umulig at opnå.
Quantum revolution
Alt ændrede sig efter fremkomsten af kvanteteori. Allerede i begyndelsen af det XX århundrede. det blev klart, at selvom Newtons love og Maxwells ligninger meget vellykket beskriver planets bevægelse og lysets opførsel, er der en hel klasse fænomener, som de ikke kan forklare. Desværre sagde de ikke noget om, hvorfor materialer leder elektricitet, hvorfor metaller smelter ved visse temperaturer, hvorfor gasser udsender lys, når de opvarmes, hvorfor nogle stoffer bliver superledende ved lave temperaturer. For at besvare et af disse spørgsmål er det nødvendigt at forstå atommers interne dynamik. Revolutionen er moden. Newtons fysik ventede efter 250 års dominans, at den blev styrtet; på samme tid skulle sammenbruddet af det gamle idol indvarsle begyndelsen på arbejdssmerterne for den nye fysik.
I 1900 foreslog Max Planck i Tyskland, at energi ikke er kontinuerlig, som Newton troede, men eksisterer i form af små diskrete "portioner" kaldet "quanta". Derefter, i 1905, postulerede Einstein, at lys også består af disse bittesmå diskrete pakker (eller kvanta), senere kaldet fotoner. Med denne enkle, men kraftfulde idé kunne Einstein forklare den fotoelektriske effekt, nemlig hvorfor metaller, når de bestråles med lys, udsender elektroner. I dag er den fotoelektriske effekt og fotonet grundlaget for tv, lasere, solpaneler og meget af moderne elektronik. (Einsteins teori om fotonet var så revolutionerende, at selv Max Planck, som normalt ivrig støttede Einstein, i første omgang ikke kunne tro på det. Planck skrev om Einstein:”Faktaat han nogle gange savner … som han for eksempel gjorde med hypotesen om lyskvanta, kan man ikke med al samvittighed bebrejde ham. ")
Så i 1913 gav den danske fysiker Niels Bohr os et helt nyt billede af atomet; Bohrs atom lignede et miniaturesolsystem. Men i modsætning til det virkelige solsystem kan elektroner i et atom kun bevæge sig rundt i kernen inden for diskrete baner eller skaller. Når en elektron "springer" fra en skal til en anden, som er tættere på kernen og har mindre energi, udsender den en foton af energi. Omvendt, når en elektron absorberer en foton med en bestemt energi, "springer" den højere til en skal, der er længere væk fra kernen og har en højere energi.
I 1925, med fremkomsten af kvantemekanik og det revolutionerende arbejde af Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg og mange andre, blev en næsten komplet atomteori født. Ifølge kvanteteorien var elektronen en partikel, men den havde også en tilknyttet bølge, som gav den både egenskaberne af en partikel og en bølge. Denne bølge adlød den såkaldte Schrödinger-bølgeligning, som gjorde det muligt at beregne atomets egenskaber, inklusive alle "spring" af elektroner, der blev postuleret af Bohr.
Indtil 1925 blev atomer betragtet som mystiske objekter; mange, ligesom filosofen Ernst Mach, troede slet ikke på deres eksistens. Efter 1925 havde mennesket mulighed for ikke kun at se dybt ind i atomets dynamik, men også at forudsige dets egenskaber ganske pålideligt. Overraskende betød dette, at man med en tilstrækkelig kraftig computer ved hånden kunne udlede egenskaberne for kemiske grundstoffer direkte fra kvanteteoriens love. Ligesom den newtonske fysik med en tilstrækkelig stor computermaskine ville tillade forskere at beregne bevægelsen af alle himmellegemer i universet, gjorde kvantefysik ifølge forskere i princippet muligt at beregne alle egenskaberne for de kemiske grundstoffer i universet uden undtagelse. Derudover har en tilstrækkelig kraftig computer,man kunne komponere et menneskes fulde bølgefunktion.
Masere og lasere
I 1953 formåede professor Charles Townes fra University of California i Berkeley sammen med sine kolleger at få den første stråle af sammenhængende stråling, nemlig mikrobølger. Enheden blev kaldt en maser (maser - efter de første bogstaver i ordene i sætningen "mikrobølgeforstærkning gennem stimuleret emission af stråling", det vil sige "forstærkning af mikrobølger gennem stimulering af stråling.") Senere, i 1964, Townes sammen med russiske fysikere Nikolai Basov og Alexander Prokhorov modtog Nobelprisen. Snart blev forskernes resultater udvidet til synligt lys. Laseren blev født. (Phaser er derimod en fantastisk enhed, der er berømt af Star Trek.)
Grundlaget for laseren er et specielt medium, der rent faktisk vil overføre laserstrålen; det kan være en speciel gas, krystal eller diode. Derefter skal du pumpe energi ind i dette miljø udefra - ved hjælp af elektricitet, radiobølger, lys eller en kemisk reaktion. Den uventede tilstrømning af energi ophidser atomerne i mediet, hvilket får elektronerne til at absorbere energi og hoppe på de ydre skaller med højere energi.
I en sådan ophidset pumpet tilstand bliver mediet ustabilt. Hvis en lysstråle derefter ledes gennem den, vil strålens fotoner, der kolliderer med atomerne, medføre en pludselig dump af elektroner til at sænke baner og frigivelse af yderligere fotoner. Disse fotoner vil til gengæld tvinge endnu flere elektroner til at udsende fotoner - og snart begynder en kædereaktion af atomer at "kollapse" til en uopspændt tilstand med næsten samtidig frigivelse af en enorm mængde fotoner - billioner og billioner af dem - alle i samme stråle. Det grundlæggende træk ved denne proces er, at i nogle stoffer, med en lavine-lignende frigivelse, vibrerer alle fotoner i fællesskab, dvs. de er sammenhængende.
(Forestil dig, at dominoer er opstillet i træk. I den laveste energitilstand ligger hver kno fladt på bordet. I højenergi, oppustet tilstand står knoglerne oprejst, som de oppustede atomer i et medium. Ved at skubbe på en kno kan du forårsage en pludselig samtidig frigivelse af al denne energi, ligesom det samme som det sker, når laserstrålen fødes.)
Kun få materialer er i stand til at arbejde i en laser; dette betyder, at kun i specielle stoffer, når en foton kolliderer med et ophidset atom, udsendes der en foton, der er sammenhængende med den første. Denne materieegenskab fører til det faktum, at alle fotoner i den nye strøm vibrerer sammen og skaber en tynd laserstråle. (I modsætning til den populære legende forbliver laserstrålen ikke altid så tynd som i starten. For eksempel vil en laserstråle, der affyres i månen, gradvist udvide sig undervejs og give et sted flere kilometer i størrelse på Månens overflade.)
En simpel gaslaser er et rør fyldt med en blanding af helium og neon. Når elektricitet føres gennem røret, absorberer atomer energi og bliver ophidset. Så hvis der pludselig frigøres al den energi, der er lagret i gassen, fødes en stråle af sammenhængende lys. Denne stråle forstærkes af to spejle, der er installeret i begge ender af røret, så strålen reflekteres fra dem igen og skynder sig langs røret fra side til side. Et af spejle er helt uigennemsigtigt, men det andet transmitterer en lille brøkdel af det indfaldende lys og frigiver dermed strålen udad.
I dag findes lasere overalt - i købmandens kasseapparat, i det fiberoptiske kabel, der giver dig adgang til Internettet, i en laserprinter eller CD-afspiller og på en moderne computer. Lasere bruges til øjenkirurgi, fjernelse af tatoveringer og endda i skønhedssaloner. I 2004 blev lasere solgt over hele verden for mere end 5,4 milliarder dollars.
Typer af lasere og deres funktioner
Nye lasere opdages næsten hver dag nu; Som regel taler vi om opdagelsen af et nyt stof, der kan arbejde i en laser, eller opfindelsen af en ny metode til at pumpe energi ind i arbejdsfluidet.
Spørgsmålet er, er disse teknologier egnede til fremstilling af strålepistoler eller lyssværd? Kan du bygge en laser, der er stor nok til at drive Death Star? I dag er der et svimlende udvalg af lasere, der kan klassificeres i henhold til materialet i arbejdsfluidet og den måde, hvorpå energi pumpes (det kan være elektricitet, en kraftig lysstråle, endda en kemisk eksplosion). Vi opregner flere typer lasere.
• Gaslasere. Denne kategori inkluderer også de ekstremt almindelige heliumneonlasere, der producerer en meget velkendt rød stråle. De pumpes op med radiobølger eller elektricitet. Helium-neon-lasere har lav effekt. Men kuldioxidgaslasere kan bruges til sprængning, til opskæring og smeltning af metaller i tung industri; de er i stand til at give en ekstremt kraftig og helt usynlig stråle;
• Kemiske lasere. Disse kraftige lasere oplades af kemiske reaktioner såsom forbrænding af ethylen og nitrogentrifluorid NF3. Disse lasere er kraftige nok til at blive brugt på det militære område. I USA bruges det kemiske princip om pumpning i luft- og jordkamplasere, der er i stand til at levere en stråle af energi i millioner af watt og designet til at nedskyde kortdistance missiler under flyvning.
• Excimer-lasere. Disse lasere får også deres energi fra en kemisk reaktion, som normalt involverer en inaktiv gas (dvs. argon, krypton eller xenon) og en slags fluor eller chlorid. De udsender ultraviolet lys og kan bruges i elektronikindustrien til at ætse små transistorer på halvlederchips og i øjenkirurgi til sarte Lasik-operationer.
• Halvlederlasere. Dioderne, som vi bruger så bredt i alle slags elektroniske enheder, kan producere kraftige laserstråler, der bruges i skære- og svejseindustrien. Disse samme halvlederlasere fungerer også i kasseapparater og læser stregkoder fra dine valgte produkter.
• Farvelaser. Disse lasere bruger organiske farvestoffer som arbejdsmedium. De er yderst nyttige til at generere ultrakorte lysimpulser, som ofte er i størrelsesordenen en billiontedel af et sekund.
Lasere og strålepistoler?
I betragtning af det store udvalg af kommercielle lasere og styrken fra militære lasere er det svært ikke at undre sig over, hvorfor vi ikke har strålepistoler og kanoner, der er egnede til brug på slagmarken? I science fiction-film har ray-pistoler og pistoler af en eller anden art tendens til at være de mest almindelige og velkendte våben. Hvorfor arbejder vi ikke på at skabe et sådant våben?
Det enkle svar på dette spørgsmål er, at vi ikke har tilstrækkelige bærbare strømkilder. Dette er ikke en bagatel. Bjælkevåben ville kræve miniaturebatterier, størrelsen af en håndflade, men som matcher kraften i et stort kraftværk. I øjeblikket er den eneste måde at få kraften fra et stort kraftværk til brug at bygge et. Og den mindste militære enhed, der er i stand til at tjene som en beholder til sådanne energier, er en miniature brintbombe, som desværre ikke kun kan ødelægge målet, men dig selv.
Der er også et andet problem - stabiliteten af det emitterende stof eller arbejdsfluidet. I teorien er der ingen grænse for mængden af energi, der kan pumpes ind i en laser. Men problemet er, at arbejdskroppen til en håndholdt laserpistol ville være ustabil. Krystallasere overophedes for eksempel og knækker, hvis du pumper for meget energi ind i dem. Derfor kan det kræve eksplosiv energi at skabe en ekstremt kraftig laser - en der kunne fordampe en genstand eller neutralisere en fjende. I dette tilfælde kan man naturligvis ikke længere tænke på arbejdsfluidens stabilitet, fordi vores laser vil være engangsbrug.
Problemer med udviklingen af bærbare strømkilder og stabile emitterende materialer gør eksistensen af strålepistoler umulig med den nuværende tekniske teknik. Generelt kan du kun oprette en strålepistol, hvis du bringer et kabel til den fra en strømkilde. Måske med brugen af nanoteknologi kan vi en dag være i stand til at skabe miniaturebatterier, der kan lagre eller generere energi, der ville være nok til at skabe kraftige bursts - en nødvendig egenskab ved håndholdte laservåben. Som vi allerede har set, er nanoteknologi i øjeblikket i sin barndom. Ja, videnskabsmænd har formået at skabe nogle enheder på atomniveau - meget geniale, men helt upraktiske, som f.eks. Abacus eller atomguitar. Men det kan godt ske, at hvad der ellers i dette eller, siger,i det næste århundrede vil nanoteknologi faktisk give os miniaturebatterier til at lagre fantastiske mængder energi.
Lightsabers har det samme problem. Med udgivelsen af Star Wars i 1970 blev lyssæt med legetøj et øjeblikkeligt hit med drenge. Mange kritikere betragtede det som deres pligt at påpege, at sådanne enheder i virkeligheden er umulige. For det første kan lys ikke størknes. Lys bevæger sig med lysets hastighed, så det er umuligt at størkne det. For det andet kan en lysstråle ikke pludselig afskæres i rummet, som lyssværd gør i Star Wars. Lysstrålen kan ikke stoppes, den er altid i bevægelse; en ægte lyssværd ville gå langt op i himlen.
Faktisk er der en måde at fremstille en slags lyssværd ud af plasma eller overophedet ioniseret gas. Hvis plasmaet opvarmes tilstrækkeligt, vil det forresten også gløde i mørket og skåret stål. Et plasma-lyssværd kan være et tyndt teleskoprør, der strækker sig fra et håndtag.
Varmt plasma frigives i røret fra håndtaget, som derefter går ud gennem små huller langs hele "bladets" længde. Plasmaet stiger fra trækket langs bladet og ud i en lang, glødende cylinder med overophedet gas, varm nok til at smelte stål. En sådan enhed kaldes undertiden en plasma-fakkel.
Således kan vi skabe en enhed med høj energi, der ligner en lyssværd. Men her, som i situationen med strålepistoler, bliver du først nødt til at få et kraftigt bærbart batteri. Enten bruger du nanoteknologi til at skabe et miniaturebatteri, der kan forsyne din lyssværd med en enorm mængde energi, eller du skal slutte det til en strømkilde ved hjælp af et langt kabel.
Så mens strålepistoler og lyssværd kan fremstilles i en eller anden form i dag, er de håndvåben, vi ser i sci-fi-film, ikke mulige med den nyeste teknologi. Men senere i dette århundrede eller måske i det næste kan udviklingen af materialevidenskab og nanoteknologi meget vel føre til oprettelsen af en eller anden type strålevåben, som giver os mulighed for at definere det som en klasse I umulighed.
Energi til Death Star
For at opbygge Death Star, en laserkanon, der er i stand til at ødelægge en hel planet og terrorisere galaksen, som vist i Star Wars, er du nødt til at skabe den mest kraftfulde laser, der kan tænkes. I øjeblikket bruges de mest kraftfulde lasere på jorden sandsynligvis til at opnå temperaturer, der i naturen kun kan findes i stjernernes kerner. Måske vil disse lasere og fusionsreaktorerne baseret på dem en dag hjælpe os på Jorden med at udnytte stjernenergi.
I fusionsreaktorer forsøger forskere at reproducere de processer, der finder sted i rummet under dannelsen af en stjerne. Først fremstår stjernen som en kæmpe kugle med uformet brint. Derefter komprimerer tyngdekræfter gassen og opvarmes derved; gradvist når temperaturen indeni astronomiske værdier. For eksempel dybt i hjertet af en stjerne kan temperaturen stige til 50-100 millioner grader. Det er varmt nok til, at brintkernerne klæber sammen; i dette tilfælde vises heliumkerner, og energi frigives. I processen med at smelte helium fra brint omdannes en lille del af massen til energi ifølge Einsteins berømte formel E = mc2. Dette er kilden, hvorfra stjernen henter sin energi.
Forskere forsøger i øjeblikket at udnytte energien fra nuklear fusion på to måder. Begge veje viste sig at være meget sværere at gennemføre end tidligere antaget.
Træghedsindeslutning til laserfusion
Den første metode er baseret på den såkaldte inertiale indespærring. Ved hjælp af de mest kraftfulde lasere på jorden oprettes et stykke af solen kunstigt i laboratoriet. Solid state neodymglaslaseren er ideel til at gengive de højeste temperaturer, der kun findes i stjernekerner. Eksperimentet bruger lasersystemer på størrelse med en god fabrik; et batteri af lasere i et sådant system affyrer en række parallelle bjælker i en lang tunnel. Disse kraftige laserstråler reflekteres derefter fra et system med små spejle monteret omkring det sfæriske volumen. Spejle fokuserer nøjagtigt alle laserstråler og dirigerer dem på en lille kugle af brintrig materiale (såsom lithium deuteride, den aktive ingrediens i en brintbombe). Forskere bruger typisk en kugle på størrelse med en pinhead og vejer kun ca. 10 mg.
Laserblitz varmer øjeblikkeligt kuglens overflade op, hvilket får stoffets øverste lag til at fordampe og kuglen kollapser skarpt. Den "kollapser", og den resulterende stødbølge når sit centrum og får temperaturen inde i bolden til at hoppe op til millioner af grader - det niveau, der er nødvendigt for at fusionen af hydrogenkerner danner heliumkerner. Temperatur og tryk når så astronomiske værdier, at Lawson-kriteriet er opfyldt, det samme, som også er opfyldt i stjernernes kerner og i eksplosionerne af brintbomber. (Lawsons kriterium siger, at visse niveauer af temperatur, tæthed og tilbageholdelsestid skal nås for at udløse en termonuklear fusionsreaktion i en brintbombe, stjerne eller reaktor.)
I processen med inerti-indeslutning termonuklear fusion frigøres en enorm mængde energi, inklusive i form af neutroner. (Temperaturen på lithiumdeuterid kan nå 100 millioner grader Celsius, og densiteten er tyve gange bly.) Der er en burst af neutronstråling fra bolden. Neutroner falder i et sfærisk "tæppe" af stof, der omgiver reaktorkammeret og varmer det op. Derefter bruges den resulterende varme til at koge vand, og dampen kan allerede bruges til at rotere turbinen og generere elektricitet.
Problemet er imidlertid at fokusere højenergistrålerne og sprede deres stråling jævnt over overfladen af den lille kugle. Det første store forsøg på laserfusion var Shiva, et laserstrålesystem med tyve stråler bygget på Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og blev lanceret i 1978 (Shiva er den flerarmede gudinde for det hinduistiske panteon, der minder om et flerstrålelaser-system.) "Shiva" viste sig at være nedslående; ikke desto mindre var det med sin hjælp muligt at bevise, at laser termonuklear fusion er teknisk mulig. Senere blev "Shiva" erstattet af "Nova" -laseren, der ti gange overgik "Shiva" ved magten. Men "Nova" var ikke i stand til at give den rigtige antænding til brintkuglen. Menbegge disse systemer banede vejen for målrettet forskning ved den nye National Ignition Facility (NIF), hvis konstruktion startede på LLNL i 1997.
NIF forventes at begynde at arbejde i 2009. Denne uhyrlige maskine er et batteri på 192 lasere, der producerer en enorm effekt på 700 billioner watt i en kort puls (den samlede produktion på ca. 70.000 store atomkraftenheder). Det er et moderne lasersystem designet specielt til komplet sammensmeltning af brintmættede kugler. (Kritikere peger også på dets åbenlyse militære betydning - trods alt er et sådant system i stand til at simulere detonationsprocessen for en brintbombe; måske vil det skabe en ny type kernevåben - en bombe, der udelukkende er baseret på fusionsprocessen, som ikke længere kræver en uran- eller plutonium-atomladning for at detonere.)
Men selv NIF-systemet, der er designet til at sikre processen med termonuklear fusion og inkorporering af de mest kraftfulde lasere på Jorden, kan ikke engang eksternt sammenligne med magten med den destruktive styrke fra Death Star, som vi kender fra Star Wars. For at skabe en sådan enhed bliver vi nødt til at lede efter andre energikilder.
Magnetisk indespærring til fusion
Den anden metode, som forskere i princippet kunne bruge til at aktivere Death Rides, er kendt som magnetisk indespærring - den proces, hvorved et varmt brintplasma holdes på plads af et magnetfelt.
Denne metode vil muligvis tjene som en prototype for de første kommercielle termonukleare reaktorer. I øjeblikket er det mest avancerede projekt af denne type International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). I 2006 besluttede flere lande (herunder EU, USA, Kina, Japan, Korea, Rusland og Indien) at bygge en sådan reaktor ved Cadarache i det sydlige Frankrig. I det skal brint opvarmes til 100 millioner grader Celsius. Det er muligt, at ITER bliver den første termonukleære reaktor i historien, som vil være i stand til at producere mere energi, end den bruger. Det er designet til at producere 500 MW effekt på 500 sekunder (den nuværende rekord er 16 MW på et sekund). Det er planlagt, at det første plasma produceres på ITER inden 2016,og installationen vil være fuldt operationel i 2022. Projektet er værd $ 12 milliarder og er det tredje dyreste videnskabelige projekt i historien (efter Manhattan-projektet og den internationale rumstation).
I udseende ser ITER-installationen ud som en stor doughnut, flettet udefra med store ringe af elektrisk vikling; brint cirkulerer inde i donut. Opviklingen afkøles til en tilstand af superledningsevne, og derefter pumpes en enorm mængde elektricitet ind i den, hvilket skaber et magnetfelt, der holder plasmaet inde i donut. Når en elektrisk strøm føres direkte gennem donut, opvarmes gassen inde i den til stjernetemperaturer.
Årsagen til, at forskere er så interesserede i ITER-projektet, er enkle: På lang sigt lover det at skabe billige energikilder. Fusionsreaktorer drives af almindeligt havvand, rig på brint. I det mindste på papir viser det sig, at termonuklear fusion kan give os en billig og uudtømmelig energikilde.
Så hvorfor har vi ikke stadig fusionsreaktorer? Hvorfor er det allerede flere årtier - siden øjeblikket i 1950'erne. et procesdiagram blev udviklet - kan vi ikke få reelle resultater? Problemet er, brintbrændstof er utroligt svært at komprimere jævnt. I stjernernes kerner tvinger tyngdekraften brintet til at antage en ideel sfærisk form, hvorved gassen opvarmes rent og jævnt.
Laser-termonuklear fusion i en NIF-opsætning kræver, at laserstrålerne, der antænder overfladen af hydrogenkuglen, er nøjagtig den samme, og dette er ekstremt vanskeligt at opnå. I installationer med magnetisk indespærring spiller det faktum, at magnetfeltet har nord- og sydpoler, en vigtig rolle; som et resultat er det ekstremt vanskeligt at komprimere gassen ensartet i den rigtige sfære.
Det bedste, vi kan skabe, er et doughnutformet magnetfelt. Men processen med at komprimere en gas er som at presse en ballon i dine hænder. Hver gang du klemmer bolden fra den ene ende, skubber luften den ud et andet sted. At komprimere bolden samtidigt og jævnt i alle retninger er ikke en let opgave. Varm gas lækker normalt ud af magnetflasken; før eller senere når den reaktorens vægge, og processen med termonuklear fusion stopper. Derfor er det så vanskeligt at komprimere brint tilstrækkeligt og holde det komprimeret selv i et sekund.
I modsætning til moderne atomkraftværker, hvor spaltning af atomer forekommer, vil en fusionsreaktor ikke producere en stor mængde nukleart affald. (Hver af de traditionelle nukleare enheder producerer 30 tons ekstremt farligt nukleart affald om året. I modsætning hertil vil nukleart affald fra en fusionsreaktor for det meste være radioaktivt stål, som forbliver efter demontering.)
Man skal ikke håbe, at termonuklear fusion fuldstændigt løser Jordens energiproblemer i den nærmeste fremtid. Franskmanden Pierre-Gilles de Gennes, nobelpristager i fysik, siger:”Vi siger, at vi vil lægge solen i en kasse. God ide. Problemet er, at vi ikke ved, hvordan vi laver denne boks. Men forskerne håber, at hvis alt går godt, vil ITER i fyrre år hjælpe forskere med at bane vejen for den kommercielle produktion af termonuklear energi - energi, der en dag kan være kilde til elektricitet i vores hjem. En dag vil fusionsreaktorer måske give os på Jorden mulighed for sikkert at bruge stjernenergi og derved mindske vores energiproblemer. Men selv magnetisk begrænsede termonukleare reaktorer vil ikke være i stand til at drive våben som Death Star. Dette vil kræve helt nye udviklinger.
Nukleare pumpede røntgenlasere
Der er en anden mulighed for at bygge en Death Star-laserkanon baseret på nutidens teknologi - ved hjælp af en brintbombe. Et batteri af røntgenlasere, der udnytter og fokuserer atomvåbenens kraft, kunne i teorien give tilstrækkelig energi til at betjene en enhed, der er i stand til at detonere en hel planet.
Atomreaktioner frigiver ca. 100 millioner gange mere energi pr. Masseenhed end kemiske. Et stykke beriget uran, der ikke er større end en tennisbold, ville være nok til at brænde en hel by i en virvelvind af ild, på trods af at kun 1% af uranmassen omdannes til energi. Som vi sagde, er der mange måder at pumpe energi ind i en arbejdsfluid på en laser og dermed ind i laserstrålen. Den mest magtfulde af disse metoder - langt mere magtfulde end alle andre - er at udnytte energien fra en atombombe.
Røntgenlasere er af enorm betydning, både militære og videnskabelige. Den meget korte bølgelængde af røntgenstråling gør det muligt at bruge sådanne lasere til sondering ved atomafstande og dechifrering af atommets struktur af komplekse molekyler, hvilket er ekstremt vanskeligt at gøre med konventionelle metoder. Evnen til at "se" atomer i bevægelse og til at skelne mellem deres placering i et molekyle får os til at se på kemiske reaktioner på en helt ny måde.
En brintbombe udsender en enorm mængde energi i form af røntgenstråler, så røntgenlasere kan pumpes med energien fra en nuklear eksplosion. I videnskaben er røntgenlasere mest tæt forbundet med Edward Teller, "far" til brintbomben.
I øvrigt var det Teller i 1950'erne. vidnede før kongressen, at Robert Oppenheimer, der tidligere ledede Manhattan-projektet, ikke kunne få til opgave at arbejde videre med brintbomben på grund af hans politiske synspunkter. Tellers vidnesbyrd resulterede i, at Oppenheimer blev ærekrænket og nægtet adgang til klassificeret materiale; mange fremtrædende fysikere har aldrig været i stand til at tilgive Teller for dette.
(Mine egne kontakter med Teller begyndte i gymnasiet. Derefter gennemførte jeg en række eksperimenter om antimaterie, vandt hovedprisen på San Francisco Science Fair og en tur til National Science Fair i Albuquerque, New Mexico. Sammen med Teller, som altid var opmærksomme på talentfulde unge fysikere, deltog jeg i et lokalt tv-program. Senere modtog jeg fra Teller et ingeniørstipendium opkaldt efter Hertz, som hjalp mig med at betale for mine studier ved Harvard. Flere gange om året gik jeg til Tellers hjem i Berkeley og der lærte sin familie at kende tæt.)
I princippet er Teller røntgenlaser en lille atombombe omgivet af kobberstænger. Eksplosionen af et atomvåben genererer en sfærisk eksplosionsbølge af intens røntgenstråling. Disse højenergistråler passerer gennem kobberstænger, der fungerer som laserens arbejdsfluid og fokuserer røntgenenergien i kraftige stråler. De resulterende røntgenstråler kan derefter rettes mod fjendens sprænghoveder. Naturligvis kan en sådan enhed kun bruges én gang, da en nuklear eksplosion ville ødelægge røntgenlaser selv.
Den første røntgenlasertest, kaldet Cabra-testen (Cabra), blev udført i 1983. En brintbombe blev detoneret i en underjordisk mine, og derefter blev en tilfældig strøm af røntgenstråler fra den fokuseret og omdannet til en sammenhængende røntgenlaserstråle. Testene blev oprindeligt vist sig at være vellykkede; faktisk var det denne succes i 1983, der inspirerede præsident Reagan til at afgive en historisk hensigtserklæring om at opbygge et defensivt skjold fra Star Wars. Dette lancerede et multimilliard-dollarprogram til at opbygge et netværk af enheder som nukleare pumpede røntgenlasere til at nedskyde fjendtlige ICBM'er. Arbejdet med dette program fortsætter i dag. (Senere viste det sig, at en sensor designet til at registrere og måle stråling under en historisk test,blev ødelagt; hans vidnesbyrd kunne således ikke stole på.)
Er det virkelig muligt at nedskyde ballistiske missilstridshoved med en sådan ikke-triviel enhed? Det er ikke udelukket. Men det bør ikke glemmes, at fjenden kan komme på mange enkle og billige måder at neutralisere sådanne våben på (for eksempel kan man bedrage radaren ved at skyde millioner af billige lokkefugle; eller få sprænghovedet til at dreje for at sprede røntgenstråler på denne måde; eller komme med en kemisk belægning, der ville beskytte sprænghovedet mod røntgen). I sidste ende kunne fjenden simpelthen masseproducere sprænghoveder, der ville gennembore Star Wars-skjoldet ganske enkelt ved deres store antal.
Derfor er røntgenlasere med kernepumpe i øjeblikket ikke i stand til at beskytte mod missilangreb. Men er det muligt at skabe på deres basis en Death Star, der er i stand til at ødelægge en hel planet eller blive et effektivt middel til beskyttelse mod en nærliggende asteroide?
Death Star Physics
Er det muligt at skabe et våben, der er i stand til at ødelægge en hel planet, som i Star Wars? I teorien er svaret simpelt: ja. Og på flere måder.
Der er ingen fysiske begrænsninger for den energi, der frigives ved detonationen af en brintbombe. Sådan går det. (En detaljeret beskrivelse af brintbomben selv i dag klassificeres af den amerikanske regering som den højeste kategori af hemmeligholdelse, men generelt er dens enhed velkendt.) En brintbombe er lavet i flere faser. Ved at kombinere det krævede antal trin i den rigtige rækkefølge kan du få en atombombe med næsten enhver forudbestemt kraft.
Den første fase er en standard fissionsbombe eller atombombe; det bruger uran-235 energi til at generere en røntgenstråle, som det skete i Hiroshima. Et splittet sekund, før eksplosionen af en atombombe sprænger alt i flader, vises en ekspanderende sfære med kraftig røntgenpuls. Denne stråling overhaler den aktuelle eksplosion (da den bevæger sig med lysets hastighed); de formår at fokusere det igen og sende det til en beholder med lithiumdeuterid, det aktive stof i en brintbombe. (Præcis hvordan dette gøres er stadig en statshemmelighed.) Røntgenstråler falder på lithiumdeuteridet, hvilket får det til øjeblikkeligt at kollapse og varme op til millioner af grader, hvilket forårsager en anden eksplosion, meget kraftigere end den første. Røntgen burst som følge af denne anden eksplosionDu kan derefter fokusere på det andet parti lithiumdeuterid og forårsage en tredje eksplosion. Her er det princip, hvormed du kan placere mange containere med lithiumdeuterid side om side og få en brintbombe med ufattelig kraft. Således var den mest magtfulde bombe i menneskehedens historie den to-trins brintbombe, som blev detoneret i 1961 af Sovjetunionen. Derefter var der en eksplosion med en kapacitet på 50 millioner tons TNT-ækvivalent, selvom denne bombe teoretisk var i stand til at give en effekt på mere end 100 megaton TNT (hvilket er ca. 5000 gange mere end kraften fra bomben, der blev kastet på Hiroshima).den mest magtfulde bombe i menneskets historie var den to-trins brintbombe, som blev detoneret i 1961 af Sovjetunionen. Derefter var der en eksplosion med en kapacitet på 50 millioner tons TNT-ækvivalent, skønt denne bombe teoretisk var i stand til at give en effekt på mere end 100 megatons TNT (hvilket er ca. 5000 gange mere end kraften fra bomben, der blev kastet på Hiroshima).den mest magtfulde bombe i menneskets historie var den to-trins brintbombe, som blev detoneret i 1961 af Sovjetunionen. Derefter var der en eksplosion med en kapacitet på 50 millioner tons TNT-ækvivalent, selvom denne bombe teoretisk var i stand til at give en effekt på mere end 100 megaton TNT (hvilket er ca. 5000 gange mere end kraften fra bomben, der blev kastet på Hiroshima).
Imidlertid er der brug for helt forskellige kræfter for at antænde en hel planet. For at gøre dette ville Death Star skulle lancere tusinder af sådanne røntgenlasere i rummet, som derefter skulle fyres samtidigt. (Til sammenligning oplagrede De Forenede Stater og Sovjetunionen hver 30.000 atombomber på højden af den kolde krig.) Den samlede energi fra et så stort antal røntgenlasere ville have været nok til at antænde planetens overflade. Derfor kunne fremtidens galaktiske imperium, hundreder af tusinder af år væk fra os, naturligvis skabe et sådant våben.
For en højt udviklet civilisation er der en anden måde: at skabe en Death Star, der bruger energien fra en kosmisk kilde til gammastrålebrister. Fra en sådan dødsstjerne ville en udstråling stråle ud, næststørste ved magten til Big Bang. Kilder til gammastrålebrister er et naturligt fænomen, de findes i rummet; ikke desto mindre kan det tænkes, at en avanceret civilisation en dag kunne udnytte deres enorme energi. Det er muligt, at hvis vi tager kontrol over en stjernes rotation længe før dens sammenbrud og fødslen af en hypernova, så vil det være muligt at dirigere "skuddet" af kilden til gammastrålebrister til ethvert punkt i rummet.
Kilder til gamma-ray bursts
Kosmiske kilder til GRB'er blev først bemærket i 1970'erne. på Vela-satellitter, der blev lanceret af amerikanske militærsatellitter, designet til at opdage "ekstra blink" - bevis for en illegal nuklear bombeeksplosion. Men i stedet for blusser på jordens overflade registrerede satellitter kæmpe stråling fra rummet. Den første overraskelsesopdagelse udløste panik i Pentagon: Tester sovjeterne nye atomvåben i det dybe rum? Senere blev det fundet, at burstene kommer ensartet fra alle retninger af himmelkuglen; dette betød, at de faktisk kom til Mælkevejs-galaksen udefra. Men hvis vi antager en virkelig ekstragalaktisk oprindelse af bursts, så vil deres magt vise sig at være virkelig astronomisk - når alt kommer til alt er de i stand til at "belyse" hele det synlige univers.
Efter Sovjetunionens sammenbrud i 1990 afklassificerede Pentagon uventet en enorm mængde astronomiske data. Astronomer var forbløffede. De indså pludselig, at de stod over for et nyt mystisk fænomen fra dem, der fra tid til anden er tvunget til at omskrive lærebøger og opslagsværker.
Varigheden af gamma-ray bursts er kort og spænder fra et par sekunder til flere minutter, så der er behov for et omhyggeligt organiseret sensorsystem til at opdage og analysere dem. For det første registrerer satellitter et burst af gammastråling og sender de nøjagtige koordinater for kilden til Jorden. De opnåede koordinater transmitteres til optiske teleskoper eller radioteleskoper, som igen sigter mod et bestemt punkt i himmelsfæren.
Selvom ikke alt er kendt om gammastrålebrister i øjeblikket, siger en af teorierne om deres oprindelse, at kilderne til gammastrålebrister er "hypernovaer" med ekstraordinær styrke og efterlader massive sorte huller. I dette tilfælde viser det sig, at kilderne til gammastrålebrister er uhyrlige sorte huller i dannelsestadiet.
Men sorte huller udsender to stråler, to stråler fra stråling, fra sydpolen og fra nord, som en snurrende top. Strålingen fra gammastrålesprængningen, som vi registrerer, tilhører tilsyneladende en af disse strømme - den, der viste sig at være rettet mod Jorden. Hvis strømmen af gammastråling fra en sådan kilde blev rettet nøjagtigt til Jorden, og selve kilden var i vores galaktiske nærhed (i en afstand af flere hundrede lysår fra Jorden), ville dens styrke være tilstrækkelig til fuldstændigt at ødelægge livet på vores planet.
For det første ville en elektromagnetisk puls skabt af røntgenstråler fra en gammastrålesprøjtekilde have deaktiveret alt elektronisk udstyr på jorden. En kraftig stråle af røntgenstråler og gammastråling ville forårsage uoprettelig skade på jordens atmosfære og ødelægge det beskyttende ozonlag. Derefter ville en strøm af gammastråler opvarme jordens overflade og forårsage uhyrlige ildstorme, der til sidst ville opsluge hele planeten. Måske ville kilden til gammastrålesprængninger ikke have sprængt planeten som vist i filmen "Star Wars", men det ville helt sikkert have ødelagt alt liv på den og efterladt en forkullet ørken.
Det kan antages, at en civilisation, der har overgået os i udviklingen med hundreder af millioner af år, vil lære at rette sådanne sorte huller til det ønskede mål. Dette kan opnås ved at lære at kontrollere bevægelsen af planeter og neutronstjerner og dirigere dem til en døende stjerne i en nøjagtigt beregnet vinkel lige før sammenbrud. En relativt lille indsats vil være tilstrækkelig til at afbøje stjernens rotationsakse og rette den i den ønskede retning. Så vil den døende stjerne blive til den største tænkelige strålekanon.
Sammenfatte. Brug af kraftige lasere til oprettelse af bærbare eller håndholdte strålevåben og lyssværd bør klassificeres som umulighed i klasse I - sandsynligvis vil dette blive muligt i den nærmeste fremtid, eller for eksempel i de næste hundrede år. Men den ekstremt vanskelige opgave at sigte på en roterende stjerne, før den eksploderer og omdanner den til et sort hul, det vil sige at omdanne den til en Death Star, bør betragtes som en klasse II umulighed - noget der ikke klart modsiger fysikens love (når alt kommer til alt eksisterer kilderne til gammastrålebrister i virkeligheden), men kan kun realiseres langt i fremtiden efter tusinder eller endda millioner af år.
Fra bogen: "Det umulige fysik".