Физика невозможного: Фазеры и Звезды Смерти

Звезда смерти — это колоссальное оружие размером с хорошую луну. Выстрелив в упор в беззащитную планету Альдераан, родину принцессы Леи, Звезда смерти полностью уничтожает ее. Планета исчезает в пламени титанического взрыва, разбрасывая обломки по всей Солнечной системе. Миллиард душ одновременно вскрикивает в муке, вызывая тем самым возмущение Силы, которое чувствуется в любом месте галактики.

Но возможно ли в действительности оружие, подобное Звезде смерти из киноэпопеи «Звездные войны»? Можно ли так организовать и направить батарею лазерных пушек, чтобы в результате испарилась целая планета? А как насчет знаменитых световых мечей, которыми обладали Люк Скайуокер и Дарт Вейдер, представляющих собой луч света, но способных без труда разрубить бронированную сталь? Станут ли лучевые ружья, как фазеры в сериале «Звездный путь», подходящим оружием для будущих поколений сотрудников правопорядка и солдат?

Новые, оригинальные и поражающие воображение спецэффекты «Звездных войн» произвели неотразимое впечатление на миллионы зрителей, но у критиков сложилось иное мнение. Некоторые из них утверждали, что да, конечно, создатели фильма искренне старались развлечь зрителя, но на самом-то деле подобные вещи совершенно невозможны. Критики не уставали повторять как заклинание: лучевые пушки размером с луну, способные разнести на мелкие кусочки целую планету, — это нечто неслыханное; невозможны и мечи из внезапно затвердевающего светового луча. Все это слишком даже для далекой-далекой галактики. На этот раз Джорджа Лукаса, признанного мастера спецэффектов, немного занесло.

Возможно, в это трудно поверить, но в световой луч можно «запихнуть» неограниченное количество энергии; здесь нет никаких физических ограничений. Создание Звезды смерти или светового меча не противоречит ни одному закону физики. Более того, пучки гамма-излучения, способные взорвать планету, реально существуют в природе. Титанический всплеск излучения, порождаемый далеким таинственным источником гамма-всплесков, способен устроить в глубоком космосе взрыв, уступающий по мощности только самому Большому взрыву. Любая планета, которую угораздит оказаться в прицеле такой «пушки», действительно будет поджарена или разорвана на куски.
Лучевое оружие в истории

Мечта обуздать энергию излучения на самом деле совсем не нова; ее корни уходят в древнюю религию и мифологию. Греческий бог Зевс знаменит тем, что стрелял в смертных молниями. Северный бог Тор владел волшебным молотом, Мьеллниром, способным метать молнии, а индуистский бог Индра выстреливал энергетическим лучом из волшебного копья.

Представление о луче как реальном практическом оружии впервые появилось в работах великого греческого математика Архимеда, возможно, величайшего ученого античности, которому удалось разработать собственный вариант примитивного дифференциального исчисления за две тысячи лет до Ньютона и Лейбница. Считается, что в легендарном сражении 214 г. до н.э. против войска римского генерала Марцелла во время Второй Пунической войны Архимед, помогая защищать Сиракуз ское царство, соорудил большую батарею солнечных рефлекторов, сфокусировал солнечные лучи на парусах вражеских кораблей и таким образом поджег их. (Ученые до сих пор спорят, действительно ли такое лучевое оружие могло работать; несколько групп ученых пытались, с разными результатами, воспроизвести это достижение.)

Лучевые ружья ворвались на страницы научной фантастики в 1889 г. с классическим романом Герберта Уэллса «Война миров». В этом романе пришельцы с Марса уничтожали целые города, направляя на них лучи тепловой энергии из пушек, установленных на их треножниках. Во время Второй мировой войны нацисты[3], всегда готовые исследовать и взять на вооружение последние достижения техники, чтобы использовать их для завоевания мира, тоже экспериментировали с различными типами лучевых пушек, в том числе с акустическими устройствами, которые при помощи параболических зеркал фокусировали мощные звуковые лучи.

Оружие, представляющее собой сфокусированный световой луч[4], захватило воображение публики после выхода фильма «Голдфингер» про Джеймса Бонда; это был первый голливудский фильм, где фигурировал лазер. (В нем легендарного британского шпиона привязали к металлическому столу, и мощный лазерный луч медленно приближался к нему, постепенно расплавляя стол у него между ногами и угрожая разрезать героя пополам.)

Первоначально физики только посмеялись над идеей лучевых пушек, высказанной в романе Уэллса, поскольку такие пушки нарушали известные законы оптики. Согласно уравнениям Максвелла, свет, который мы видим вокруг, некогерентен (т.е. представляет собой мешанину из волн с различными частотами и фазами) и быстро рассеивается. Когда-то считалось, что когерентный, сфокусированный, однородный луч света — такой, как луч лазера, — получить невозможно.
Квантовая революция

Все изменилось после появления квантовой теории. Уже в начале XX в. стало ясно, что, хотя законы Ньютона и уравнения Максвелла весьма успешно описывают движение планет и поведение света, существует целый класс явлений, которые они объяснить не в силах. Как ни прискорбно, они ничего не говорили о том, почему материалы проводят электричество, почему металлы плавятся при определенных температурах, почему газы при нагревании излучают свет, почему некоторые вещества при низких температурах обретают сверхпроводимость. Чтобы ответить на любой из этих вопросов, необходимо понимать внутреннюю динамику атомов. Назрела революция. Ньютонова физика после 250 лет владычества ждала своего ниспровержения; одновременно крушение старого кумира должно было возвестить о начале родовых схваток новой физики.

В 1900 г. Макс Планк в Германии высказал предположение о том, что энергия не непрерывна, как считал Ньютон, но существует в виде маленьких дискретных «порций», получивших название «квантов». Затем в 1905 г. Эйнштейн постулировал, что свет тоже состоит из этих крошечных дискретных пакетов (или квантов), позже названных фотонами. При помощи этой простой, но мощной идеи Эйнштейн сумел объяснить фотоэлектрический эффект, а именно почему металлы при облучении светом испускают электроны. Сегодня фотоэлектрический эффект и фотон служат основой для телевидения, лазеров, солнечных батарей и значительной части современной электроники. (Эйнштейнова теория фотона была настолько революционной, что даже Макс Планк, обычно горячо выступавший в поддержку Эйнштейна, поначалу не мог поверить в нее. Планк писал об Эйнштейне: «Тот факт, что иногда он промахивается... как, к примеру, получилось у него с гипотезой световых квантов, нельзя, по совести, ставить ему в вину».)

Затем в 1913 г. датский физик Нильс Бор дал нам совершенно новую картину атома; атом у Бора напоминал миниатюрную солнечную систему. Но, в отличие от настоящей Солнечной системы электроны в атоме могут двигаться вокруг ядра только в пределах дискретных орбит или оболочек. Когда электрон «перепрыгивает» с одной оболочки на другую, более близкую к ядру и обладающую меньшей энергией, он испускает фотон энергии. И наоборот, когда электрон поглощает фотон с определенной энергией, он «прыгает» выше, на оболочку, расположенную дальше от ядра и обладающую большей энергией.

В 1925 г., с появлением квантовой механики и революционных работ Эрвина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и многих других, родилась почти полная теория атома. Согласно квантовой теории электрон представлял собой частицу, но обладал также ассоциированной волной, что придавало ему одновременно свойства частицы и волны. Волна эта подчинялась так называемому волновому уравнению Шрёдингера, позволявшему рассчитать свойства атома, включая все постулированные Бором «прыжки» электронов.

До 1925 г. атомы считались загадочными объектами; многие, подобно философу Эрнсту Маху, вообще не верили в их существование. После 1925 г. у человека появилась возможность не только заглянуть глубоко в динамику атома, но и вполне достоверно предсказать его свойства. Как ни поразительно, это означало, что, имея под рукой достаточно мощный компьютер, можно вывести свойства химических элементов непосредственно из законов квантовой теории. Точно так же, как ньютонова физика при наличии достаточно большой вычислительной машины позволила бы ученым рассчитать движение всех небесных тел вселенной, квантовая физика, по утверждениям ученых, давала принципиальную возможность рассчитать все без исключения свойства химических элементов Вселенной. Кроме того, имея достаточно мощный компьютер, можно было бы составить полную волновую функцию человеческого существа.
Мазеры и лазеры

В 1953 г. профессор Чарльз Таунс из Университета Калифорнии в Беркли сумел вместе с коллегами получить первый пучок когерентного излучения, а именно микроволн. Устройство назвали мазером (maser — по первым буквам слов фразы «microwave amplification through stimulated emission of radiation», т.е. «усиление микроволн через стимуляцию излучения».) Позже, в 1964 г., Таунс вместе с русскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым получил Нобелевскую премию. Вскоре результаты ученых были распространены и на видимый свет. Так родился лазер. (А вот фазер — это фантастическое устройство, получившее известность благодаря сериалу «Звездный путь».)

Основой лазера служит особая среда, которая собственно и будет передавать лазерный луч; это может быть специальный газ, кристалл или диод. Затем нужно закачать в эту среду энергию извне — при помощи электричества, радиоволн, света или химической реакции. Неожиданный приток энергии возбуждает атомы среды, заставляя электроны поглощать энергию и перепрыгивать на более высокоэнергетичные внешние электронные оболочки.

В таком возбужденном, накачанном состоянии среда становится нестабильной. Если после этого направить сквозь нее луч света, то фотоны луча, сталкиваясь с атомами, вызовут внезапное сваливание электронов на более низкие орбиты и высвобождение при этом дополнительных фотонов. Эти фотоны, в свою очередь, заставят еще большее число электронов испустить фотоны — и вскоре начнется цепная реакция «схлопывания» атомов до невозбужденного состояния с практически одновременным высвобождением громадного количества фотонов — триллионов и триллионов их — все в тот же луч. Принципиальная особенность этого процесса состоит в том, что в некоторых веществах при лавинообразном высвобождении все фотоны вибрируют в унисон, т. е. когерентны.

(Представьте себе выстроенные в ряд костяшки домино. В самом низкоэнергетическом состоянии каждая костяшка лежит плашмя на столе. В высокоэнергетическом, накачанном состоянии костяшки стоят вертикально, подобно накачанным атомам среды. Толкнув одну костяшку, вы можете вызвать внезапное одновременное высвобождение всей этой энергии, точно так же, как это происходит при рождении лазерного луча.)

В лазере способны работать лишь некоторые материалы; это означает, что только в особых веществах при столкновении фотона с возбужденным атомом излучается фотон, когерентный первому. Это свойство вещества приводит к тому, что все фотоны в рождающемся потоке вибрируют в унисон, создавая тонкий лазерный луч. (Вопреки распространенной легенде лазерный луч не вечно остается таким же тонким, как в самом начале. К примеру, лазерный луч, выпущенный в Луну, будет по дороге постепенно расширяться и даст на поверхности Луны пятно размером в несколько километров.)

Простой газовый лазер представляет собой трубку со смесью гелия и неона. Когда через трубку пропускают электричество, атомы поглощают энергию и возбуждаются. Затем, если происходит внезапное высвобождение всей запасенной газом энергии, рождается луч когерентного света. Этот луч усиливается при помощи двух зеркал, установленных в обоих концах трубки, так что луч отражается от них по очереди и мечется по трубке из стороны в сторону. Одно из зеркал совершенно непрозрачно, но другое пропускает небольшую долю падающего на него света, выпуская таким образом луч наружу.

Сегодня лазеры можно найти повсюду — и в кассовом аппарате продуктового магазинчика, и в оптико-волоконном кабеле, который обеспечивает вам доступ в Интернет, и в лазерном принтере или CD-плеере, и в современном компьютере. Лазеры используются в хирургии глаза, при удалении татуировок, и даже в косметических салонах. В 2004 г. в мире продано лазеров больше чем на 5,4 млрд долл.
Типы лазеров и их особенности

Новые лазеры сейчас открывают едва ли не каждый день; как правило, речь идет об обнаружении нового вещества, способного работать в лазере, или изобретении нового метода закачки энергии в рабочее тело.

Вопрос в том, годятся ли эти технологии для создания лучевых ружей или световых мечей? Можно ли построить лазер, достаточно большой для обеспечения энергией Звезды смерти? На сегодняшний день существует ошеломляющее разнообразие лазеров, которые можно классифицировать по материалу рабочего тела и способу закачки энергии (это может быть электричество, мощный световой луч, даже химический взрыв). Перечислим несколько типов лазеров.

• Газовые лазеры. Эта категория включает и чрезвычайно распространенные гелий-неоновые лазеры, дающие очень знакомый красный луч. Накачивают их при помощи радиоволн или электричества. Гелий-неоновые лазеры обладают небольшой мощностью. А вот газовые лазеры на углекислом газе можно использовать при подрывных работах, для резки и плавки металлов в тяжелой промышленности; они способны давать чрезвычайно мощный и совершенно невидимый луч;

• Химические лазеры. Эти мощные лазеры заря жаются от химической реакции — к примеру, горения этилена и трифторида азота NF3. Такие лазеры достаточно мощны, чтобы найти применение в военной области. В США химический принцип накачки применяется в воздушных и наземных боевых лазерах, способных давать луч мощностью в миллионы ватт и предназначенных для сбивания в полете ракет малой дальности.

• Эксимерные лазеры. Эти лазеры получают энергию также от химической реакции, в которой обычно задействованы инертный газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и какой-нибудь фторид или хлорид. Они дают ультрафиолетовый свет и могут использоваться в элек тронной промышленности для вытравливания кро хотных транзисторов на полупроводниковых чипах, а также в хирургии глаза для проведения тончайших операций по технологии Lasik.

• Полупроводниковые лазеры. Диоды, которые мы так широко используем во всевозможных электрон ных устройствах, могут давать мощные лазерные лучи, которые используются в промышленности для резки и сварки. Эти же полупроводниковые лазеры работа ют и в кассовых аппаратах, считывая штрихкоды с выбранных вами товаров.

• Лазеры на красителях. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются органические красите ли. Они исключительно полезны в получении ультра коротких импульсов света, которые часто имеют длительность порядка одной триллионной доли секунды.
Лазеры и лучевые ружья?

Принимая во внимание огромное разнообразие коммерческих лазеров и мощь лазеров военных, трудно не задаться вопросом: почему у нас нет лучевых ружей и пушек, пригодных к использованию на поле боя? В фантастических фильмах лучевые ружья и пистолеты того или иного сорта, как правило, являются самым распространенным и привычным оружием. Почему мы не работаем над созданием такого оружия?

Простой ответ на этот вопрос заключается в отсутствии у нас портативных источников энергии достаточной мощности. Это не пустяк. Для лучевого оружия потребовались бы миниатюрные батареи размером с ладонь, но соответствующие при этом по мощности громадной электростанции. В настоящее время единственный способ получить в пользование мощность крупной электростанции—построить таковую. А самый маленький военный прибор, способный служить вместилищем для подобных энергий, — миниатюрная водородная бомба, которая, к несчастью, может уничтожить не только цель, но и вас самих.

Существует и вторая проблема — стабильность излучающего вещества, или рабочего тела. Теоретически количество энергии, которое можно закачать в лаз ер, ничем не ограничено. Но проблема в том, что рабочее тело ручного лазерного пистолета оказалось бы нестабильным. Кристаллические лазеры, к примеру, перегреваются и трескаются, если закачать в них слишком много энергии. Следовательно, для создания чрезвычайно мощного лазера — такого, что способен был бы испарить предмет или нейтрализовать противника, — потребуется, возможно, использовать энергию взрыва. В этом случае, естественно, о стабильности рабочего тела можно уже не думать, ведь наш лазер будет одноразовым.

Проблемы с созданием портативных источников энергии и стабильных излучающих материалов делают существование лучевых ружей невозможным при нынешнем уровне техники. Вообще, лучевую пушку создать можно, только если подвести к ней кабель от источника энергии. Возможно, с применением нанотехнологий мы сможем когда-нибудь создать миниатюрные батареи, способные хранить или генерировать энергию, которой хватило бы для создания мощных всплесков — необходимого атрибута ручного лазерного оружия. В настоящее время, как мы уже убедились, нанотехнологий пребывают в зачаточном состоянии. Да, ученым удалось создать на атомном уровне кое-какие устройства — очень остроумные, но совершенно непрактичные, такие как атомные счеты или атомная гитара. Но вполне может так случиться, что еще в этом или, скажем, в следующем веке нанотехнологии действительно дадут нам миниатюрные батареи для хранения сказочного количества энергии.

Со световыми мечами та же проблема. После выхода в 1970 г. фильма «Звездные войны» игрушечные световые мечи мгновенно обрели немыслимую популярность среди мальчишек. Многие критики сочли своим долгом указать, что в реальности такие устройства невозможны. Во-первых, свет невозможно сделать твердым. Свет движется со скоростью света, поэтому отвердить его невозможно. Во-вторых, луч света не может резко обрываться в пространстве, как это делают световые мечи в «Звездных войнах». Луч света невозможно остановить, он вечно находится в движении; реальный световой меч уходил бы далеко в небо.

На самом деле существует способ изготовить своего рода световой меч из плазмы, или перегретого ионизированного газа. Если плазму разогреть в достаточной степени, она будет светиться в темноте и резать сталь, кстати говоря, тоже. Плазменный световой меч мог бы представлять собой тонкую телескопическую трубку, которая выдвигается из рукоятки.

В трубку из рукоятки выпускается горячая плазма, которая затем выходит наружу через маленькие отверстия по всей длине «клинка». Плазма, поднимаясь из рукоятки вдоль клинка и выходя наружу, образует длинный светящийся цилиндр перегретого газа, достаточно горячего, чтобы плавить сталь. Такое устройство иногда называют плазменным факелом.

Таким образом, мы можем создать высокоэнергетическое устройство, напоминающее световой меч. Но здесь, как и в ситуации с лучевыми ружьями, придется сначала обзавестись мощной портативной батареей. Так что или вы при помощи нанотехнологий создадите миниатюрную батарею, способную снабжать ваш световой меч громадным количеством энергии, или вам придется соединить его с источником энергии при помощи длинного кабеля.

Итак, хотя лучевые ружья и световые мечи можно в какой-то форме создать и сегодня, ручное оружие, которое мы видим в научно-фантастических фильмах, при современном уровне техники невозможно. Но позже в этом веке или, может быть, в следующем развитие науки о материалах и нанотехнологий вполне может привести к созданию того или иного вида лучевого оружия, что позволяет нам определить его как невозможность I класса.
Энергия для Звезды смерти

Чтобы построить Звезду смерти — лазерную пушку, способную уничтожить целую планету и навести ужас на галактику, как показано в «Звездных войнах», необходимо создать самый мощный лазер, какой только можно представить. В настоящее время самые мощные, наверное, на Земле лазеры используются для получения температур, которые в природе можно обнаружить только в ядрах звезд. Возможно, эти лазеры и основанные на них реакторы синтеза когда-нибудь помогут нам на Земле обуздать звездную энергию.

В реакторах синтеза ученые пытаются воспроизвести процессы, которые происходят в космосе при формировании звезды. Поначалу звезда возникает как громадный шар неоформленного водорода. Затем гравитационные силы сжимают газ и тем самым разогревают его; постепенно температура внутри достигает астрономических значений. К примеру, глубоко в сердце звезды температура может вырасти до 50-100 млн градусов. Там достаточно жарко, чтобы ядра водорода начали слипаться друг с другом; при этом возникают ядра гелия и выделяется энергия. В процессе синтеза гелия из водорода небольшая часть массы превращается в энергию согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = mc2. Это и есть источник, из которого звезда черпает свою энергию.

В настоящее время ученые пытаются обуздать энергию ядерного синтеза двумя путями. Оба пути оказались куда более сложными для реализации, чем представлялось ранее.
Инерционное удержание для лазерного термоядерного синтеза

Первый метод основан на так называемом инерционном удержании. При помощи самых мощных на Земле лазеров в лаборатории искусственно создается кусочек солнца. Твердотельный лазер на неодимовом стекле идеально подходит для воспроизведения высочайших температур, которые можно обнаружить только в ядрах звезд. В эксперименте используются лазерные системы размером с хороший завод; целая батарея лазеров, входящих в такую систему, выстреливает в длинный туннель серию параллельных лучей. Затем эти мощные лазерные лучи отражаются от системы небольших зеркал, установленных вокруг сферического объема. Зеркала точно фокусируют все лазерные лучи, направляя их на крошечный шарик из богатого водородом вещества (такого, как дейтерид лития, активное вещество водородной бомбы). Обычно ученые используют шарик размером с булавочную головку и весом всего около 10 мг.

Лазерная вспышка мгновенно разогревает поверхность шарика, вызывая испарение верхнего слоя вещества и резкое сжатие шарика. Он «схлопывается», и возникающая при этом ударная волна доходит до самого его центра и заставляет температуру внутри шарика подскочить до миллионов градусов — уровня, необходимого для слияния ядер водорода с образованием ядер гелия. Температура и давление достигают таких астрономических значений, что выполняется критерий Лоусона, тот самый, который выполняется также в ядрах звезд и при взрывах водородных бомб. (Критерий Лоусона утверждает, что для запуска термоядерной реакции синтеза в водородной бомбе, в звезде или в реакторе должны быть достигнуты определенные уровни температуры, плотности и времени удержания.)

В процессе термоядерного синтеза с инерционным удержанием высвобождается громадное количество энергии, в том числе в виде нейтронов. (Температура дейтерида лития может достигать 100 млн градусов по шкале Цельсия, а плотность — двадцатикратной плотности свинца.) Происходит всплеск нейтронного излучения от шарика. Нейтроны попадают в сферическое «одеяло» из вещества, окружающее камеру реактора, и нагревают его. Затем полученное тепло используется для кипячения воды, а пар уже можно использовать для вращения турбины и получения электричества.

Проблема, однако, состоит в том, чтобы сфокусировать высокоэнергетические лучи и равномерно распределить их излучение по поверхности крошечного шарика. Первой серьезной попыткой лазерного термоядерного синтеза стала «Шива» — двадцатилучевая лазерная система, построенная в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) и запущенная в 1978 г. (Шива — многорукая богиня индуистского пантеона, которую напоминает многолучевая лазерная система.) Результаты работы лазерной системы «Шива» оказались обескураживающими; тем не менее с ее помощью удалось доказать, что лазерный термоядерный синтез технически возможен. Позже на смену «Шиве» пришел лазер «Нова», десятикратно превосходивший «Шиву» по мощности. Но и «Нова» оказалась не в состоянии обеспечить водородному шарику должное зажигание. Как бы то ни было, обе эти системы проложили путь к намеченным исследованиям на новой установке National Ignition Facility (NIF), сооружение которой началось в LLNL в 1997 г.

Предполагается, что работа NIF начнется в 2009 г. Эта чудовищная машина представляет собой батарею из 192 лазеров, которые выдают в коротком импульсе громадную мощность 700 трлн ватт (суммарный выход примерно 70 0000 крупных атомных энергоблоков). Это новейшая лазерная система, разработанная специально для полного термоядерного сжигания насыщенных водородом шариков. (Критики указывают также на ее очевидное военное значение — ведь такая система способна имитировать процесс детонации водородной бомбы; возможно, она позволит создать ядерное оружие нового типа — бомбу, основанную исключительно на процессе синтеза, для детонации которой уже не нужен урановый или плутониевый атомный заряд.)

Но даже система NIF, предназначенная для обеспечения процесса термоядерного синтеза и имеющая в своем составе самые мощные на Земле лазеры, не может хотя бы отдаленно сравниться по мощи с разрушительной силой Звезды смерти, известной нам по «Звездным войнам». Для создания подобного устройства нам придется поискать другие источники энергии.
Магнитное удержание для термоядерного синтеза

Второй метод, который в принципе могли бы использовать ученые для обеспечения Заезды смерти энергией, известен как магнитное удержание — процесс, при котором горячая водородная плазма удерживается на месте при помощи магнитного поля.

Именно этот метод, вполне возможно, послужит прототипом для первых коммерческих термоядерных реакторов. В настоящее время самый продвинутый проект этого типа — Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). В 2006 г. несколько стран (в том числе Европейский союз, Соединенные Штаты, Китай, Япония, Корея, Россия и Индия) решили построить такой реактор в Кадараше на юге Франции. В нем водород должен разогреваться до 100 млн градусов по Цельсию. Не исключено, что ITER станет первым термоядерным реактором в истории, которому удастся произвести энергии больше, чем потребить. Он рассчитан на производство 500 МВт мощности в течение 500 с (текущий рекорд составляет 16 МВт мощности в течение одной секунды). Планируется, что первая плазма будет получена в ITER к 2016 г., а полностью установка вступит в строй в 2022 г. Проект стоит 12 млрд долл. и является третьим по стоимости научным проектом в истории (после Манхэттенского проекта и Международной космической станции).

С виду установка ITER похожа на большой бублик, оплетенный снаружи громадными кольцами электрической обмотки; внутри бублика циркулирует водород. Обмотку охлаждают до состояния сверхпроводимости, а затем закачивают в нее гигантское количество электроэнергии, создавая магнитное поле, которое и удерживает плазму внутри бублика. Когда же электрический ток пропускают непосредственно через бублик, газ внутри его нагревается до звездных температур.

Причина, по которой ученые так заинтересованы в проекте ITER, проста: в перспективе он обещает создание дешевых источников энергии. Топливом для термоядерных реакторов служит обычная морская вода, богатая водородом. Получается, по крайней мере на бумаге, что термоядерный синтез может обеспечить нас дешевым и неистощимым источником энергии.

Так почему же у нас до сих пор нет реакторов термоядерного синтеза? Почему уже несколько десятилетий — с того момента, как в 1950-х гг. была разработана схема процесса — мы не можем добиться реальных результатов? Проблема в том, что равномерно сжать водородное топливо невероятно трудно. В ядрах звезд гравитация заставляет водород принимать идеальную сферическую форму, в результате чего газ прогревается чисто и равномерно.

Лазерный термоядерный синтез в установке NIF требует, чтобы лучи лазеров, воспламеняющие поверхность водородного шарика, были совершенно одинаковыми, а добиться этого чрезвычайно трудно. В установках с магнитным удержанием большую роль приобретает тот факт, что магнитное поле имеет северный и южный полюса; в результате равномерно сжать газ в правильную сферу чрезвычайно трудно.

Лучшее, что мы способны создать, — это магнитное поле в форме бублика. Но процесс сжатия газа напоминает сжимание в руках воздушного шарика. Каждый раз, когда вы сжимаете шарик с одного конца, воздух выпячивает его в другом месте. Сжимать шарик одновременно и равномерно во всех направлениях — непростая задача. Горячий газ, как правило, утекает из магнитной бутылки; рано или поздно он достигает стен реактора, и процесс термоядерного синтеза прекращается. Именно поэтому так трудно сжать водород в достаточной степени и удерживать его сжатым даже в течение секунды.

В отличие от современных атомных станций, где происходит расщепление атомов, реактор термоядерного синтеза не будет давать большого количества ядерных отходов. (Каждый из традиционных атомных энергоблоков производит в год 30 т чрезвычайно опасных ядерных отходов. В противовес этому ядерные отходы термоядерного реактора по большей части будут представлять собой радиоактивную сталь, которая останется после его разборки.)

Не стоит надеяться, что в ближайшее время термоядерный синтез полностью решит энергетические проблемы Земли. Француз Пьер-Жилль де Женн, нобелевский лауреат в области физики, говорит: «Мы говорим, что положим Солнце в ящик. Красивая идея. Проблема в том, что мы не знаем, как сделать этот ящик». Но исследователи надеются, что, если все пойдет хорошо, лет через сорок ITER поможет ученым проложить путь к коммерческому производству термоядерной энергии — энергии, которая однажды может стать источником электричества для наших домов. Когда-нибудь, возможно, термоядерные реакторы позволят нам на Земле безопасно пользоваться звездной энергией и смягчат тем самым наши энергетические проблемы. Но даже термоядерные реакторы с магнитным удержанием не смогут обеспечить энергией оружие, подобное Звезде смерти. Для этого потребуются совершенно новые разработки.
Рентгеновские лазеры с ядерной накачкой

Существует еще одна возможность построить лазерную пушку Звезды смерти на основании сегодняшних технологий — при помощи водородной бомбы. Батарея рентгеновских лазеров, обуздывающих и фокусирующих мощь ядерного оружия, могла бы в теории дать достаточно энергии для работы устройства, способного взорвать целую планету.

Ядерные реакции высвобождают примерно в 100 млн раз больше энергии на единицу массы, чем химические. Куска обогащенного урана размером не больше теннисного мяча хватило бы, чтобы спалить в огненном вихре целый город, несмотря на то что в энергию превращается всего 1% массы урана. Как мы уже говорили, существует множество способов закачки энергии в рабочее тело лазера, а значит, и в лазерный луч. Самый мощный из этих способов — гораздо более мощный, чем все остальные, — заключается в использовании энергии взрыва ядерной бомбы.

Рентгеновские лазеры имеют громадное значение, как военное, так и научное. Очень маленькая длина волны рентгеновского излучения позволяет использовать такие лазеры для зондирования на атомных расстояниях и дешифровки атомной структуры сложных молекул, что чрезвычайно сложно делать обычными методами. Возможность «видеть» атомы в движении и различать их расположение внутри молекулы заставляет совершенно по-новому взглянуть на химические реакции.

Водородная бомба испускает громадное количество энергии в виде рентгеновского излучения, поэтому рентгеновские лазеры можно накачивать энергией ядерного взрыва. В науке с рентгеновскими лазерами теснее всего связан Эдвард Теллер, «отец» водородной бомбы.

Между прочим, именно Теллер в 1950-е гг. свидетельствовал перед конгрессом, что Роберту Оппенгеймеру, возглавлявшему до этого Манхэттенский проект, нельзя доверить дальнейшую работу над водородной бомбой из-за его политических взглядов. Показания Теллера привели к тому, что Оппенгеймер был опорочен и лишен допуска к секретным материалам; многие видные физики так и не смогли простить этого Теллеру.

(Мои собственные контакты с Теллером начались еще в старших классах школы. Я тогда провел серию экспериментов по природе антиматерии, выиграл главный приз на научной ярмарке в Сан-Франциско и поездку на Национальную научную ярмарку в Альбукерке, штат Нью-Мексико. Вместе с Теллером, который всегда уделял внимание талантливым молодым физикам, я принял участие в передаче местного телевидения. Позже я получил от Теллера инженерную стипендию имени Герца, которая помогла мне оплатить обучение в Гарварде. Несколько раз в год я ездил к Теллеру домой, в Беркли, и там довольно близко познакомился с его семьей.)

Принципиально рентгеновский лазер Теллера представляет собой небольшую ядерную бомбу, окруженную медными стержнями. Взрыв ядерного боеприпаса порождает сферическую взрывную волну интенсивного рентгеновского излучения. Эти лучи высокой энергии проходят через медные стержни, которые играют роль рабочего тела лазера и фокусируют энергию рентгеновского излучения в мощные пучки. Полученные рентгеновские лучи можно затем направить на вражеские боеголовки. Конечно, такое устройство можно использовать только один раз, поскольку ядерный взрыв приведет к саморазрушению рентгеновского лазера.

Первое испытание рентгеновского лазера, получившее название «тест Кабра» (СаЬга), было проведено в 1983 г. В подземной шахте была взорвана водородная бомба, а затем беспорядочный поток рентгеновского излучения от нее был сфокусирован и превращен в когерентный рентгеновский лазерный пучок. Первоначально испытания были признаны успешными; фактически именно этот успех в 1983 г. вдохновил президента Рейгана на историческое заявление о намерении построить оборонительный щит из «Звездных войн». Так была запущена многомиллиардная программа строительства сети устройств, подобных рентгеновским лазерам с ядерной накачкой, для сбивания вражеских межконтинентальных баллистических ракет. Работы по этой программе продолжаются и сегодня. (Позже выяснилось, что датчик, предназначенный для регистрации и измерения излучения во время исторического испытания, был разрушен; таким образом, его показаниям доверять было нельзя.)

Можно ли на самом деле сбивать боеголовки баллистических ракет при помощи такого нетривиального устройства? Не исключено. Но не следует забывать, что неприятель может придумать множество простых и недорогих способов нейтрализации подобного оружия (так, можно было бы обмануть радар, выпустив миллионы дешевых ложных целей; или придать боеголовке вращение, чтобы рассеять таким образом рентгеновское излучение; или придумать химическое покрытие, которое защитило бы боеголовку от рентгеновского луча). В конце концов, противник мог бы просто наладить массовое производство боеголовок, которые пробили бы щит «Звездных войн» просто за счет своего количества.

Поэтому рентгеновские лазеры с ядерной накачкой на данный момент не в состоянии защитить от ракетного нападения. Но можно ли создать на их основе Звезду смерти, способную уничтожить целую планету или стать действенным средством защиты от приближающегося астероида?
Физика Звезды смерти

Можно ли создать оружие, способное уничтожить целую планету, как в «Звездных войнах»? В теории ответ прост: да. Причем несколькими путями.

Для энергии, высвобождаемой при взрыве водородной бомбы, нет никаких физических ограничений. Вот как это происходит. (Подробное описание водородной бомбы даже сегодня правительство США относит к высшей категории секретности, но в общих чертах ее устройство достаточно хорошо известно.) Водородная бомба изготавливается в несколько этапов. Объединив нужное количество этапов в надлежащей последовательности, можно получить ядерную бомбу почти любой наперед заданной мощности.

Первый этап — стандартная бомба на реакции деления, или атомная бомба; в ней энергия урана-235 используется для генерации всплеска рентгеновского излучения, как это произошло в Хиросиме. За долю секунды до того, как взрыв атомной бомбы разнесет все в клочья, появляется расширяющаяся сфера мощного рентгеновского импульса. Это излучение обгоняет собственно взрыв (так как движется со скоростью света); его успевают сфокусировать заново и направить на контейнер с дейтеридом лития — активным веществом водородной бомбы. (Как именно это делается — все еще государственная тайна.) Рентгеновское излучение падает на дейтерид лития, заставляет его мгновенно сжаться и разогревает до миллионов градусов, вызывая тем самым второй взрыв, гораздо мощнее первого. Всплеск рентгеновского излучения, возникающий при этом втором взрыве, можно затем перефокусировать на вторую порцию дейтерида лития и вызвать третий взрыв. Вот принцип, в соответствии с которым можно поместить рядом множество контейнеров с дейтеридом лития и получить водородную бомбу невообразимой мощности. Так, самой мощной бомбой в истории человечества была двухступенчатая водородная бомба, которую взорвал в 1961 г. Советский Союз. Тогда произошел взрыв мощностью 50 млн т в тротиловом эквиваленте, хотя теоретически эта бомба способна была дать мощность более чем в 100 мегатонн тротила (что примерно в 5000 раз больше мощности бомбы, сброшенной на Хиросиму).

Однако для воспламенения целой планеты нужны совсем другие мощности. Для этого Звезде смерти пришлось бы запустить в космос тысячи таких рентгеновских лазеров, которые затем должны были бы выстрелить одновременно. (Для сравнения скажем, что в разгар холодной войны Соединенные Штаты и Советский Союз накопили примерно по 30 000 ядерных бомб.) Суммарной энергии такого громадного числа рентгеновских лазеров хватило бы, чтобы воспламенить поверхность планеты. Поэтому Галактическая империя будущего, отстоящая от нас на сотни тысяч лет, смогла бы, разумеется, создать такое оружие.

Для высокоразвитой цивилизации есть и другой путь: создать Звезду смерти, которая бы использовала энергию космического источника гамма-всплесков. От такой Звезды смерти исходила бы вспышка излучения, по мощности уступающая только Большому взрыву. Источники гамма-всплесков — это природное явление, они существуют в космосе; тем не менее вполне представимо, что когда-нибудь развитая цивилизация сможет обуздать их громадную энергию. Не исключено, что если взять под контроль вращение звезды задолго до ее коллапса и рождения гиперновой, то можно будет направить «выстрел» источника гамма-всплесков в любую точку пространства.
Источники гамма-всплесков

Космические источники гамма-всплесков были впервые замечены в 1970-х гг. на запущенных американскими военными спутниках «Вела» (Vela), предназначенных для обнаружения «лишних вспышек» — свидетельств незаконного взрыва ядерной бомбы. Но вместо вспышек на поверхности Земли спутники зарегистрировали гигантские всплески излучения из космоса. Первоначально неожиданное открытие вызвало в Пентагоне настоящую панику: неужели Советы испытывают новое ядерное оружие в дальнем космосе? Позже было установлено, что всплески поступают равномерно со всех направлений небесной сферы; это означало, что на самом деле они приходят в галактику Млечный Путь извне[5]. Но, если предположить действительно внегалактическое происхождение всплесков, то мощность их получится поистине астрономической — ведь они способны «осветить» всю видимую вселенную.

После развала Советского Союза в 1990 г. Пентагон неожиданно рассекретил громадное количество астрономических данных[6]. Астрономы были поражены. Они внезапно поняли, что перед ними новое загадочное явление из тех, что заставляют время от времени переписывать учебники и справочники.

Продолжительность гамма-всплесков невелика и составляет от нескольких секунд до нескольких минут, поэтому для их обнаружения и анализа необходима тщательно организованная система датчиков. Сначала спутники регистрируют всплеск гамма-излучения и посылают на Землю точные координаты источника. Полученные координаты передаются на оптические или радиотелескопы, которые, в свою очередь, наводятся на указанную точку небесной сферы.

Хотя в настоящий момент о гамма-всплесках известно далеко не все, одна из теорий их происхождения гласит, что источники гамма-всплесков — «гиперновые» необычайной силы, оставляющие после себя массивные черные дыры. В этом случае получается, что источники гамма-всплесков — чудовищные черные дыры в стадии формирования.

Но черные дыры испускают два джета, два потока излучения, из южного полюса и из северного, как у вращающегося волчка. Излучение гамма-всплеска, который мы регистрируем, принадлежит, очевидно, одному из этих потоков — тому, который оказался направлен в сторону Земли. Если бы поток гамма-излучения от такого источника оказался бы направлен точно на Землю, а сам источник находился бы в нашей галактической окрестности (на расстоянии нескольких сотен световых лет от Земли), его мощности хватило бы, чтобы полностью уничтожить жизнь на нашей планете.

Сначала электромагнитный импульс, созданный рентгеновским излучением от источника гамма-всплесков, вывел бы из строя все электронное оборудование на Земле. Мощный луч рентгеновского и гамма-излучения нанес бы земной атмосфере непоправимый вред, уничтожив защитный озоновый слой. Затем поток гамма-излучения разогрел бы поверхность Земли, вызвав чудовищные огненные бури, которые со временем охватили бы всю планету. Может быть, источник гамма-всплесков и не взорвал бы планету, как показано в фильме «Звездные войны», но наверняка уничтожил бы на ней все живое, оставив после себя обугленную пустыню.

Можно предположить, что цивилизация, опередившая нас в развитии на сотни миллионов лет, научится направлять подобные черные дыры на желаемую цель. Этого можно добиться, если научиться управлять движением планет и нейтронных звезд и направлять их в умирающую звезду под точно рассчитанным углом непосредственно перед коллапсом. Относительно небольших усилий будет достаточно, чтобы отклонить ось вращения звезды и нацелить ее в нужном направлении. Тогда умирающая звезда превратится в самую большую лучевую пушку, какую только можно представить.

Подведем итог. Использование мощных лазеров для создания портативного или ручного лучевого оружия и световых мечей следует отнести к I классу невозможности — по всей видимости, это станет возможным в недалеком будущем или, скажем, в ближайшие сто лет. Но чрезвычайно сложная задача нацеливания вращающейся звезды перед взрывом и превращением ее в черную дыру, т. е. преобразование ее в Звезду смерти, должна рассматриваться как невозможность II класса — нечто, что не противоречит явно законам физики (ведь источники гамма-всплесков существуют в реальности), но может быть реализовано только далеко в будущем, через тысячи или даже миллионы лет.

Источник: onua.org