La Morte Nera è un'arma colossale delle dimensioni di una buona luna. Sparando a bruciapelo sul pianeta indifeso Alderaan, la patria della principessa Leia, la Morte Nera lo distrugge completamente. Il pianeta scompare tra le fiamme di un'esplosione titanica, disperdendo detriti in tutto il sistema solare. Un miliardo di anime urlano simultaneamente in agonia, provocando un oltraggio nella Forza che si avverte ovunque nella galassia.
Ma un'arma come la Morte Nera del film Star Wars è davvero possibile? È possibile organizzare e dirigere una batteria di cannoni laser in modo che un intero pianeta evapori di conseguenza? Che dire delle famose spade laser che Luke Skywalker e Darth Vader brandivano, che sono un raggio di luce ma possono facilmente tagliare l'acciaio corazzato? I raygun, come i phaser di Star Trek, diventeranno l'arma giusta per le future generazioni di forze dell'ordine e soldati?
I nuovi, originali e sbalorditivi effetti speciali di Star Wars hanno fatto un'impressione convincente su milioni di spettatori, ma i critici avevano un'opinione diversa. Alcuni di loro hanno affermato che sì, ovviamente, i realizzatori hanno cercato sinceramente di intrattenere lo spettatore, ma in realtà queste cose sono completamente impossibili. I critici non si stancano mai di ripetere come un incantesimo: i cannoni a raggi grandi come la luna, capaci di far saltare in piccoli pezzi un intero pianeta, sono qualcosa di inaudito; anche le spade di un raggio di luce che si solidifica improvvisamente sono impossibili. Tutto questo è troppo anche per una galassia lontana e lontana. Questa volta, George Lucas, l'acclamato maestro degli effetti speciali, ha sbandato un po '.
Può essere difficile da credere, ma una quantità illimitata di energia può essere "imbottita" in un raggio di luce; non ci sono limitazioni fisiche. La creazione di una Morte Nera o di una spada laser non contraddice alcuna legge della fisica. Inoltre, in natura esistono effettivamente fasci di radiazioni gamma in grado di far esplodere il pianeta. Una gigantesca esplosione di radiazioni, generata da una lontana misteriosa fonte di lampi di raggi gamma, è in grado di creare un'esplosione nello spazio profondo, seconda solo per potenza al Big Bang stesso. Qualsiasi pianeta che riesca a trovarsi in vista di una simile "pistola" verrà effettivamente fritto o fatto a pezzi.
Armi a raggio nella storia
Il sogno di sfruttare l'energia delle radiazioni non è affatto nuovo; le sue radici risalgono all'antica religione e mitologia. Il dio greco Zeus è famoso per aver sparato ai mortali con i fulmini. Il dio del nord Thor brandiva un martello magico, Mjellnir, in grado di lanciare fulmini, mentre il dio indù Indra sparava un raggio di energia da una lancia magica.
L'idea del raggio come una vera arma pratica apparve per la prima volta nelle opere del grande matematico greco Archimede, forse il più grande scienziato dell'antichità, che riuscì a sviluppare la sua versione del primitivo calcolo differenziale duemila anni prima di Newton e Leibniz. Si ritiene che nella leggendaria battaglia del 214 a. C. contro le truppe del generale romano Marcello durante la seconda guerra punica, Archimede, aiutando a difendere il regno di Siracusa, costruì una grande batteria di riflettori solari, focalizzò i raggi del sole sulle vele delle navi nemiche e così le incendiò. (Gli scienziati stanno ancora discutendo se un'arma a raggio di questo tipo potrebbe effettivamente funzionare; diversi gruppi di scienziati hanno provato, con risultati variabili, a replicare questo risultato.)
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I cannoni a raggi hanno colpito le pagine della fantascienza nel 1889 con il classico War of the Worlds di HG Wells. In questo romanzo, gli alieni provenienti da Marte hanno distrutto intere città dirigendo verso di loro raggi di energia termica dai cannoni montati sui loro treppiedi. Durante la seconda guerra mondiale, i nazisti, sempre pronti a ricercare e adottare gli ultimi progressi tecnologici per usarli per conquistare il mondo, sperimentarono anche vari tipi di pistole a raggi, inclusi dispositivi acustici che focalizzavano potenti fasci sonori utilizzando specchi parabolici.
L'arma, che è un fascio di luce focalizzato, ha catturato l'immaginazione del pubblico dopo l'uscita del film di James Bond Goldfinger; è stato il primo film di Hollywood a presentare un laser. (In esso, la leggendaria spia britannica era legata a un tavolo di metallo e un potente raggio laser gli si avvicinò lentamente, sciogliendo gradualmente il tavolo tra le sue gambe e minacciando di tagliare l'eroe a metà.)
Inizialmente, i fisici ridevano solo dell'idea dei cannoni a raggi, espressa nel romanzo di Wells, perché tali pistole violavano le leggi note dell'ottica. Secondo le equazioni di Maxwell, la luce che vediamo intorno a noi è incoerente (cioè è un miscuglio di onde con frequenze e fasi diverse) e si disperde rapidamente. Un tempo si credeva che un fascio di luce coerente, focalizzato e uniforme, come un raggio laser, fosse impossibile da ottenere.
Rivoluzione quantistica
Tutto è cambiato dopo l'avvento della teoria quantistica. Già all'inizio del XX secolo. divenne chiaro che, sebbene le leggi di Newton e le equazioni di Maxwell descrivono con molto successo il moto dei pianeti e il comportamento della luce, c'è un'intera classe di fenomeni che non possono spiegare. Purtroppo, non hanno detto nulla sul motivo per cui i materiali conducono l'elettricità, perché i metalli si sciolgono a determinate temperature, perché i gas emettono luce quando riscaldati, perché alcune sostanze diventano superconduttive a basse temperature. Per rispondere a una qualsiasi di queste domande, è necessario comprendere le dinamiche interne degli atomi. La rivoluzione è matura. La fisica newtoniana, dopo 250 anni di dominio, attendeva il suo rovesciamento; allo stesso tempo, il crollo del vecchio idolo avrebbe dovuto annunciare l'inizio delle doglie della nuova fisica.
Nel 1900, Max Planck in Germania suggerì che l'energia non è continua, come credeva Newton, ma esiste sotto forma di piccole "porzioni" discrete chiamate "quanti". Quindi, nel 1905, Einstein postulò che anche la luce fosse composta da questi minuscoli pacchetti discreti (o quanti), in seguito chiamati fotoni. Con questa semplice ma potente idea, Einstein riuscì a spiegare l'effetto fotoelettrico, ovvero perché i metalli, quando irradiati con la luce, emettono elettroni. Oggi, l'effetto fotoelettrico e il fotone sono alla base della televisione, dei laser, dei pannelli solari e di gran parte dell'elettronica moderna. (La teoria del fotone di Einstein era così rivoluzionaria che persino Max Planck, che di solito sosteneva ardentemente Einstein, all'inizio non poteva crederci. Planck scrisse di Einstein: "Il fattoche a volte gli manca … come, ad esempio, ha fatto con l'ipotesi dei quanti leggeri, non si può, in tutta coscienza, biasimarlo. ")
Poi, nel 1913, il fisico danese Niels Bohr ci diede un'immagine completamente nuova dell'atomo; L'atomo di Bohr somigliava a un sistema solare in miniatura. Ma, a differenza del sistema solare reale, gli elettroni in un atomo possono muoversi attorno al nucleo solo all'interno di orbite o conchiglie discrete. Quando un elettrone "salta" da un guscio all'altro, che è più vicino al nucleo e ha meno energia, emette un fotone di energia. Al contrario, quando un elettrone assorbe un fotone con una certa energia, "salta" più in alto, verso un guscio che è più lontano dal nucleo e ha un'energia maggiore.
Nel 1925, con l'avvento della meccanica quantistica e il lavoro rivoluzionario di Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg e molti altri, nacque una teoria quasi completa dell'atomo. Secondo la teoria quantistica, l'elettrone era una particella, ma possedeva anche un'onda associata, che gli conferiva sia le proprietà di una particella che di un'onda. Questa onda obbediva alla cosiddetta equazione d'onda di Schrodinger, che permetteva di calcolare le proprietà dell'atomo, inclusi tutti i "salti" di elettroni postulati da Bohr.
Fino al 1925 gli atomi erano considerati oggetti misteriosi; molti, come il filosofo Ernst Mach, non credevano affatto alla loro esistenza. Dopo il 1925 l'uomo ha avuto l'opportunità non solo di esaminare in profondità le dinamiche dell'atomo, ma anche di prevedere le sue proprietà in modo abbastanza affidabile. Sorprendentemente, questo significava che con un computer sufficientemente potente a portata di mano, si potevano dedurre le proprietà degli elementi chimici direttamente dalle leggi della teoria quantistica. Proprio come la fisica newtoniana, con una macchina di calcolo sufficientemente grande, consentirebbe agli scienziati di calcolare il movimento di tutti i corpi celesti nell'universo, la fisica quantistica, secondo gli scienziati, ha reso possibile in linea di principio calcolare tutte le proprietà degli elementi chimici dell'universo senza eccezioni. Inoltre, avendo un computer sufficientemente potente,si potrebbe comporre l'intera funzione d'onda di un essere umano.
Maser e laser
Nel 1953, il professor Charles Townes dell'Università della California a Berkeley, insieme ai suoi colleghi, riuscì a ottenere il primo raggio di radiazione coerente, ovvero le microonde. Il dispositivo è stato chiamato maser (maser - dopo le prime lettere delle parole della frase "amplificazione a microonde mediante emissione stimolata di radiazioni", cioè "amplificazione di microonde mediante stimolazione di radiazioni"). Successivamente, nel 1964, Townes, insieme ai fisici russi Nikolai Basov e Alexander Prokhorov ha ricevuto il premio Nobel. Ben presto, i risultati degli scienziati furono estesi alla luce visibile. Il laser è nato. (Il phaser, d'altra parte, è un fantastico dispositivo reso famoso da Star Trek.)
La base del laser è un mezzo speciale che trasmetterà effettivamente il raggio laser; può essere un gas speciale, un cristallo o un diodo. Quindi è necessario pompare energia in questo ambiente dall'esterno, utilizzando elettricità, onde radio, luce o una reazione chimica. L'inaspettato afflusso di energia eccita gli atomi nel mezzo, facendo sì che gli elettroni assorbano energia e saltino sui gusci elettronici esterni di maggiore energia.
In uno stato così eccitato e pompato, il mezzo diventa instabile. Se, dopo di ciò, viene inviato un raggio di luce attraverso di esso, i fotoni del raggio, entrando in collisione con gli atomi, causeranno un'improvvisa scarica di elettroni sulle orbite inferiori e il rilascio di ulteriori fotoni. Questi fotoni, a loro volta, faranno sì che ancora più elettroni emettano fotoni - e presto una reazione a catena di atomi "collasserà" in uno stato non eccitato inizierà con il rilascio quasi simultaneo di un enorme numero di fotoni - trilioni e trilioni di essi - tutti nello stesso raggio. La caratteristica fondamentale di questo processo è che in alcune sostanze, con un rilascio simile a una valanga, tutti i fotoni vibrano all'unisono, cioè sono coerenti.
(Immagina le tessere del domino allineate in fila. Nello stato di energia più bassa, ogni nocca giace piatta sul tavolo. Nello stato gonfiato ad alta energia, le nocche stanno in piedi, come gli atomi gonfiati di un mezzo. Spingendo una nocca, puoi causare un improvviso rilascio simultaneo di tutta questa energia, proprio come lo stesso che accade alla nascita di un raggio laser.)
Solo pochi materiali sono in grado di funzionare in un laser; questo significa che solo in sostanze speciali quando un fotone entra in collisione con un atomo eccitato, viene emesso un fotone coerente al primo. Questa proprietà della materia porta al fatto che tutti i fotoni nel flusso emergente vibrano all'unisono, creando un sottile raggio laser. (Contrariamente alla leggenda popolare, il raggio laser non rimane sempre sottile come all'inizio. Ad esempio, un raggio laser sparato sulla Luna si espanderà gradualmente lungo il percorso e darà un punto di diversi chilometri sulla superficie della Luna.)
Un semplice laser a gas è un tubo riempito con una miscela di elio e neon. Quando l'elettricità passa attraverso il tubo, gli atomi assorbono energia e si eccitano. Quindi, se c'è un rilascio improvviso di tutta l'energia immagazzinata nel gas, nasce un raggio di luce coerente. Questo raggio è amplificato da due specchi installati ad entrambe le estremità del tubo, in modo che il raggio si rifletta a sua volta e si precipiti lungo il tubo da un lato all'altro. Uno degli specchi è completamente opaco, ma l'altro trasmette una piccola frazione della luce incidente su di esso, rilasciando così il raggio verso l'esterno.
Oggi, i laser possono essere trovati ovunque: nel registratore di cassa del negozio di alimentari, nel cavo in fibra ottica che ti dà accesso a Internet, in una stampante laser o in un lettore CD e in un moderno computer. I laser sono utilizzati nella chirurgia oculare, nella rimozione di tatuaggi e persino nei saloni di bellezza. Nel 2004, i laser sono stati venduti in tutto il mondo per oltre 5,4 miliardi di dollari.
Tipi di laser e loro caratteristiche
Nuovi laser vengono scoperti quasi ogni giorno ora; di regola, stiamo parlando della scoperta di una nuova sostanza che può funzionare in un laser, o dell'invenzione di un nuovo metodo per pompare energia nel fluido di lavoro.
La domanda è: queste tecnologie sono adatte per realizzare pistole a raggi o spade laser? Puoi costruire un laser abbastanza grande da alimentare la Morte Nera? Oggi esiste un'incredibile varietà di laser che possono essere classificati in base al materiale del fluido di lavoro e al modo in cui l'energia viene pompata (potrebbe essere elettricità, un potente fascio di luce, persino un'esplosione chimica). Elenchiamo diversi tipi di laser.
• Laser a gas. Questa categoria comprende anche i estremamente comuni laser a elio-neon, che producono un raggio rosso molto familiare. Sono pompati con onde radio o elettricità. I laser all'elio-neon sono a bassa potenza. Ma i laser a gas ad anidride carbonica possono essere utilizzati per operazioni di sabbiatura, per tagliare e fondere metalli nell'industria pesante; sono in grado di emettere un raggio estremamente potente e completamente invisibile;
• Laser chimici. Questi potenti laser vengono caricati da reazioni chimiche come la combustione di etilene e trifluoruro di azoto NF3. Questi laser sono abbastanza potenti da poter essere utilizzati in campo militare. Negli Stati Uniti, il principio del pompaggio chimico viene utilizzato nei laser da combattimento aerei e terrestri in grado di erogare un raggio di milioni di watt e progettati per abbattere missili a corto raggio in volo.
• Laser ad eccimeri. Questi laser ottengono anche la loro energia da una reazione chimica, che di solito coinvolge un gas inerte (cioè argon, krypton o xenon) e una sorta di fluoruro o cloruro. Emettono luce ultravioletta e possono essere utilizzati nell'industria elettronica per incidere minuscoli transistor su chip semiconduttori e nella chirurgia oculare per operazioni Lasik delicate.
• Laser a semiconduttore. I diodi che utilizziamo così ampiamente in tutti i tipi di dispositivi elettronici possono produrre potenti raggi laser che vengono utilizzati nelle industrie di taglio e saldatura. Questi stessi laser a semiconduttore funzionano anche nei registratori di cassa, leggendo i codici a barre dai prodotti scelti.
• Laser a tintura. Questi laser utilizzano coloranti organici come mezzo di lavoro. Sono estremamente utili per generare impulsi di luce ultra brevi, che spesso sono dell'ordine di un trilionesimo di secondo.
Laser e cannoni a raggi?
Data l'enorme varietà di laser commerciali e la potenza dei laser militari, è difficile non chiedersi perché non abbiamo pistole a raggi e cannoni adatti per l'uso sul campo di battaglia? Nei film di fantascienza, le pistole a raggi e le pistole di un tipo o dell'altro sono solitamente le armi più comuni e familiari. Perché non stiamo lavorando su un'arma del genere?
La semplice risposta a questa domanda è che non abbiamo sufficienti fonti di alimentazione portatili. Questa non è una sciocchezza. Le armi a raggio richiederebbero batterie in miniatura, delle dimensioni di un palmo, ma corrispondenti alla potenza di un'enorme centrale elettrica. Attualmente, l'unico modo per utilizzare la potenza di una grande centrale elettrica è costruirne uno. E il più piccolo dispositivo militare che può fungere da contenitore per tali energie è una bomba all'idrogeno in miniatura, che, sfortunatamente, può distruggere non solo l'obiettivo, ma te stesso.
C'è anche un secondo problema: la stabilità della sostanza emittente o fluido di lavoro. In teoria, non c'è limite alla quantità di energia che può essere pompata in un laser. Ma il problema è che il corpo funzionante di una pistola laser portatile sarebbe instabile. I laser a cristallo, ad esempio, si surriscaldano e si rompono se si pompa troppa energia in essi. Di conseguenza, la creazione di un laser estremamente potente, che potrebbe vaporizzare un oggetto o neutralizzare un nemico, potrebbe richiedere energia esplosiva. In questo caso, naturalmente, non si può più pensare alla stabilità del fluido di lavoro, perché il nostro laser sarà usa e getta.
I problemi con lo sviluppo di sorgenti di alimentazione portatili e materiali di emissione stabili rendono impossibile l'esistenza di pistole a raggi allo stato dell'arte attuale. In generale, puoi creare una pistola a raggi solo se porti un cavo ad essa da una fonte di alimentazione. Forse con l'uso della nanotecnologia, un giorno potremo creare batterie in miniatura in grado di immagazzinare o generare energia che sarebbe sufficiente per creare potenti raffiche, un attributo necessario delle armi laser portatili. Al momento, come abbiamo già visto, la nanotecnologia è agli inizi. Sì, gli scienziati sono riusciti a creare a livello atomico alcuni dispositivi - molto ingegnosi, ma completamente poco pratici, come l'abaco atomico o la chitarra atomica. Ma può benissimo accadere che cos'altro in questo o, diciamo,nel prossimo secolo, la nanotecnologia ci darà davvero delle batterie in miniatura per immagazzinare favolose quantità di energia.
Le spade laser hanno lo stesso problema. Con l'uscita di Star Wars nel 1970, le spade laser giocattolo divennero un successo immediato tra i ragazzi. Molti critici hanno ritenuto loro dovere sottolineare che in realtà tali dispositivi sono impossibili. Primo, la luce non può essere solidificata. La luce si muove alla velocità della luce, quindi è impossibile solidificarla. In secondo luogo, un raggio di luce non può essere interrotto bruscamente nello spazio, come fanno le spade laser in Star Wars. Il raggio di luce non può essere fermato, è sempre in movimento; una vera spada laser andrebbe lontano nel cielo.
In effetti, c'è un modo per creare una sorta di spada laser con il plasma, o gas ionizzato surriscaldato. Se il plasma è sufficientemente riscaldato, si illuminerà al buio e taglierà anche l'acciaio. Una spada laser al plasma potrebbe essere un sottile tubo telescopico che si estende da un'impugnatura.
Plasma caldo viene rilasciato nel tubo dal manico, che poi fuoriesce attraverso piccoli fori lungo tutta la lunghezza della "lama". Il plasma sale dall'elsa lungo la lama ed esce in un lungo cilindro incandescente di gas surriscaldato, abbastanza caldo da fondere l'acciaio. Un tale dispositivo è talvolta chiamato torcia al plasma.
Quindi, possiamo creare un dispositivo ad alta energia che assomiglia a una spada laser. Ma qui, come nella situazione con le pistole a raggi, dovrai prima acquistare una potente batteria portatile. Quindi o usi la nanotecnologia per creare una batteria in miniatura che può fornire alla tua spada laser un'enorme quantità di energia, oppure devi collegarla a una fonte di alimentazione usando un lungo cavo.
Quindi, mentre le pistole a raggi e le spade laser possono essere realizzate in qualche forma oggi, le armi a mano che vediamo nei film di fantascienza non sono possibili con lo stato dell'arte. Ma più avanti in questo secolo, o forse nel prossimo, lo sviluppo della scienza dei materiali e della nanotecnologia potrebbe portare alla creazione dell'uno o dell'altro tipo di arma a raggio, il che ci consente di definirla un'impossibilità di Classe I.
Energia per la Morte Nera
Per costruire la Morte Nera, un cannone laser in grado di distruggere un intero pianeta e terrorizzare la galassia, come mostrato in Star Wars, devi creare il laser più potente che si possa immaginare. Attualmente, i laser più potenti sulla Terra sono probabilmente utilizzati per ottenere temperature che in natura si possono trovare solo nei nuclei delle stelle. Forse un giorno questi laser e i reattori a fusione basati su di essi ci aiuteranno sulla Terra a sfruttare l'energia stellare.
Nei reattori a fusione, gli scienziati stanno cercando di riprodurre i processi che avvengono nello spazio durante la formazione di una stella. All'inizio, la stella appare come un'enorme palla di idrogeno non formato. Quindi le forze gravitazionali comprimono il gas e quindi lo riscaldano; gradualmente la temperatura all'interno raggiunge valori astronomici. Ad esempio, nel profondo del cuore di una stella, la temperatura può salire fino a 50-100 milioni di gradi. È abbastanza caldo perché i nuclei di idrogeno si uniscano; in questo caso compaiono nuclei di elio e l'energia viene rilasciata. Nel processo di fusione dell'elio dall'idrogeno, una piccola parte della massa viene convertita in energia secondo la famosa formula di Einstein E = mc2. Questa è la fonte da cui la stella trae la sua energia.
Gli scienziati stanno attualmente cercando di sfruttare l'energia della fusione nucleare in due modi. Entrambi i percorsi si sono rivelati molto più difficili da implementare di quanto si pensasse in precedenza.
Confinamento inerziale per fusione laser
Il primo metodo si basa sul cosiddetto confinamento inerziale. Con l'aiuto dei laser più potenti della Terra, un pezzo di sole viene creato artificialmente in laboratorio. Il laser in vetro al neodimio allo stato solido è ideale per riprodurre le temperature più elevate che si trovano solo nei nuclei stellari. L'esperimento utilizza sistemi laser delle dimensioni di una buona fabbrica; una batteria di laser in un tale sistema spara una serie di raggi paralleli in un lungo tunnel. Questi potenti raggi laser vengono poi riflessi da un sistema di piccoli specchi montati attorno al volume sferico. Gli specchi focalizzano con precisione tutti i raggi laser, dirigendoli su una minuscola sfera di materiale ricco di idrogeno (come il deuteruro di litio, il principio attivo di una bomba all'idrogeno). Gli scienziati usano tipicamente una palla delle dimensioni di una capocchia di spillo e pesano solo circa 10 mg.
Il flash laser riscalda istantaneamente la superficie della palla, facendo evaporare lo strato superiore della sostanza e comprimendo bruscamente la palla. "Crolla" e l'onda d'urto risultante raggiunge il suo centro e fa saltare la temperatura all'interno della palla fino a milioni di gradi, il livello necessario alla fusione dei nuclei di idrogeno per formare nuclei di elio. La temperatura e la pressione raggiungono valori così astronomici da soddisfare il criterio di Lawson, lo stesso che viene soddisfatto anche nei nuclei delle stelle e nelle esplosioni delle bombe all'idrogeno. (Il criterio di Lawson afferma che devono essere raggiunti determinati livelli di temperatura, densità e tempo di ritenzione per innescare una reazione di fusione termonucleare in una bomba all'idrogeno, in una stella o in un reattore.)
Nel processo di fusione termonucleare a confinamento inerziale, viene rilasciata un'enorme quantità di energia, anche sotto forma di neutroni. (La temperatura del deuteruro di litio può raggiungere i 100 milioni di gradi Celsius e la densità è venti volte quella del piombo.) C'è un'esplosione di radiazione neutronica dalla sfera. I neutroni cadono in una "coltre" sferica di materia che circonda la camera del reattore e la riscaldano. Quindi il calore risultante viene utilizzato per far bollire l'acqua e il vapore può già essere utilizzato per ruotare la turbina e generare elettricità.
Il problema, tuttavia, è focalizzare i raggi ad alta energia e diffondere la loro radiazione in modo uniforme sulla superficie della minuscola sfera. Il primo grande tentativo di fusione laser fu Shiva, un sistema laser a venti raggi costruito presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e lanciato nel 1978 (Shiva è la dea multi-armata del pantheon indù, che ricorda un sistema laser multi-raggio). "Shiva" si è rivelato scoraggiante; tuttavia, con il suo aiuto, è stato possibile dimostrare che la fusione termonucleare laser è tecnicamente possibile. Successivamente lo "Shiva" è stato sostituito dal laser "Nova", che ha superato di dieci volte lo "Shiva" al potere. Ma il "Nova" non è stato in grado di fornire la corretta accensione della palla di idrogeno. Tuttavia,entrambi questi sistemi hanno aperto la strada alla ricerca mirata presso il nuovo National Ignition Facility (NIF), la cui costruzione è iniziata al LLNL nel 1997.
Si prevede che il NIF inizi a lavorare nel 2009. Questa macchina mostruosa è una batteria di 192 laser, che producono un'enorme potenza di 700 trilioni di watt in un breve impulso (la produzione totale di circa 70.000 grandi unità nucleari). Si tratta di un sistema laser all'avanguardia progettato specificamente per la fusione completa di sfere sature di idrogeno. (I critici sottolineano anche il suo ovvio significato militare - dopo tutto, un tale sistema è in grado di simulare il processo di detonazione di una bomba all'idrogeno; forse creerà un nuovo tipo di arma nucleare - una bomba basata esclusivamente sul processo di fusione, che non richiede più una carica atomica di uranio o plutonio per esplodere.)
Ma anche il sistema NIF, progettato per supportare il processo di fusione termonucleare e contenente i laser più potenti sulla Terra, non può nemmeno lontanamente paragonarsi al potere distruttivo della Morte Nera, a noi noto da Star Wars. Per creare un dispositivo del genere, dovremo cercare altre fonti di energia.
Confinamento magnetico per fusione
Il secondo metodo che gli scienziati potrebbero in linea di principio utilizzare per energizzare Death Rides è noto come confinamento magnetico, il processo mediante il quale un plasma di idrogeno caldo viene tenuto in posizione da un campo magnetico.
Questo metodo, molto probabilmente, servirà da prototipo per i primi reattori termonucleari commerciali. Attualmente, il progetto più avanzato di questo tipo è l'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Nel 2006 diversi paesi (tra cui Unione Europea, Stati Uniti, Cina, Giappone, Corea, Russia e India) hanno deciso di costruire un simile reattore a Cadarache, nel sud della Francia. In esso, l'idrogeno deve essere riscaldato fino a 100 milioni di gradi Celsius. È possibile che ITER diventi il primo reattore a fusione della storia che sarà in grado di produrre più energia di quanta ne consuma. È progettato per produrre 500 MW di potenza in 500 secondi (il record attuale è di 16 MW in un secondo). Si prevede che il primo plasma sarà prodotto a ITER entro il 2016,e l'installazione sarà pienamente operativa nel 2022. Il progetto vale 12 miliardi di dollari ed è il terzo progetto scientifico più costoso della storia (dopo il Progetto Manhattan e la Stazione Spaziale Internazionale).
In apparenza, l'installazione di ITER si presenta come una grande ciambella, intrecciata dall'esterno con enormi anelli di avvolgimento elettrico; l'idrogeno circola all'interno della ciambella. L'avvolgimento viene raffreddato fino a uno stato di superconduttività, quindi viene pompata un'enorme quantità di elettricità, creando un campo magnetico che mantiene il plasma all'interno della ciambella. Quando una corrente elettrica passa direttamente attraverso la ciambella, il gas al suo interno si riscalda fino a raggiungere temperature stellari.
Il motivo per cui gli scienziati sono così interessati al progetto ITER è semplice: a lungo termine, promette di creare fonti di energia a basso costo. I reattori a fusione sono alimentati da normale acqua di mare, ricca di idrogeno. Si scopre, almeno sulla carta, che la fusione termonucleare può fornirci una fonte di energia economica e inesauribile.
Allora perché non abbiamo ancora i reattori a fusione? Perché sono già passati diversi decenni - dal momento negli anni '50. è stato sviluppato un diagramma di processo: non possiamo ottenere risultati reali? Il problema è che il carburante a idrogeno è incredibilmente difficile da comprimere in modo uniforme. Nei nuclei delle stelle, la gravità costringe l'idrogeno ad assumere una forma sferica ideale, a seguito della quale il gas si riscalda in modo pulito e uniforme.
La fusione termonucleare laser nel NIF richiede che i raggi laser che accendono la superficie della sfera di idrogeno siano esattamente gli stessi, e questo è estremamente difficile da ottenere. Negli impianti con confinamento magnetico, il fatto che il campo magnetico abbia un polo nord e uno sud gioca un ruolo importante; di conseguenza, è estremamente difficile comprimere il gas in modo uniforme nella sfera corretta.
Il meglio che possiamo creare è un campo magnetico a forma di ciambella. Ma il processo di compressione di un gas è come stringere un palloncino tra le mani. Ogni volta che schiacci la palla da un'estremità, l'aria la spinge fuori in un altro punto. Comprimere la palla contemporaneamente e in modo uniforme in tutte le direzioni non è un compito facile. Di solito il gas caldo fuoriesce dalla bombola magnetica; prima o poi raggiunge le pareti del reattore e il processo di fusione termonucleare si ferma. Questo è il motivo per cui è così difficile comprimere sufficientemente l'idrogeno e mantenerlo compresso anche per un secondo.
A differenza delle moderne centrali nucleari, dove avviene la fissione degli atomi, un reattore a fusione non produrrà una grande quantità di scorie nucleari. (Ciascuna delle unità nucleari tradizionali produce 30 tonnellate di scorie nucleari estremamente pericolose all'anno. Al contrario, le scorie nucleari di un reattore a fusione saranno per lo più acciaio radioattivo, che rimarrà dopo il suo smantellamento.)
Non si dovrebbe sperare che la fusione termonucleare risolva completamente i problemi energetici della Terra nel prossimo futuro. Il francese Pierre-Gilles de Gennes, premio Nobel per la fisica, afferma: “Diciamo che metteremo il sole in una scatola. Bella idea. Il problema è che non sappiamo come fare questa scatola . Ma i ricercatori sperano che, se tutto andrà bene, tra quarant'anni ITER aiuterà gli scienziati a spianare la strada alla produzione commerciale di energia termonucleare, energia che un giorno potrebbe fornire elettricità alle nostre case. Un giorno, forse, i reattori a fusione ci consentiranno sulla Terra di utilizzare in modo sicuro l'energia stellare e quindi mitigare i nostri problemi energetici. Ma anche i reattori termonucleari confinati magneticamente non saranno in grado di alimentare armi come la Morte Nera. Ciò richiederà sviluppi completamente nuovi.
Laser a raggi X a pompa nucleare
C'è un'altra possibilità per costruire un cannone laser della Morte Nera basato sulla tecnologia odierna, usando una bomba all'idrogeno. Una batteria di laser a raggi X, che sfrutta e focalizza la potenza delle armi nucleari, potrebbe, in teoria, fornire energia sufficiente per far funzionare un dispositivo in grado di far esplodere un intero pianeta.
Le reazioni nucleari rilasciano circa 100 milioni di volte più energia per unità di massa rispetto a quelle chimiche. Un pezzo di uranio arricchito non più grande di una pallina da tennis basterebbe a bruciare un'intera città in un turbine di fuoco, nonostante il fatto che solo l'1% della massa di uranio venga convertito in energia. Come abbiamo detto, ci sono molti modi per pompare energia nel fluido di lavoro di un laser e quindi nel raggio laser. Il più potente di questi metodi - molto più potente di tutti gli altri - è quello di sfruttare l'energia di una bomba nucleare.
I laser a raggi X sono di enorme importanza, sia militare che scientifica. La lunghezza d'onda molto corta della radiazione a raggi X consente di utilizzare tali laser per sondare a distanze atomiche e decifrare la struttura atomica di molecole complesse, cosa estremamente difficile da fare con i metodi convenzionali. La capacità di "vedere" gli atomi in movimento e di distinguere la loro posizione all'interno di una molecola ci fa guardare alle reazioni chimiche in un modo completamente nuovo.
Una bomba all'idrogeno emette un'enorme quantità di energia sotto forma di raggi X, quindi i laser a raggi X possono essere pompati con l'energia di un'esplosione nucleare. Nella scienza, i laser a raggi X sono più strettamente associati a Edward Teller, il "padre" della bomba all'idrogeno.
Per inciso, era Teller negli anni '50. ha testimoniato davanti al Congresso che Robert Oppenheimer, che in precedenza era a capo del Progetto Manhattan, non poteva essere incaricato di ulteriori lavori sulla bomba all'idrogeno a causa delle sue opinioni politiche. La testimonianza di Teller ha portato Oppenheimer a essere diffamato e gli è stato negato l'accesso a materiali classificati; molti eminenti fisici non sono mai stati in grado di perdonare Teller per questo.
(I miei contatti con Teller sono iniziati al liceo. Ho poi condotto una serie di esperimenti sulla natura dell'antimateria, ho vinto il primo premio alla Fiera della scienza di San Francisco e un viaggio alla Fiera nazionale della scienza ad Albuquerque, New Mexico. Insieme a Teller, che ha sempre prestato attenzione a giovani fisici di talento, ho preso parte a un programma televisivo locale. In seguito ho ricevuto da Teller una borsa di studio di ingegneria intitolata a Hertz, che mi ha aiutato a pagare i miei studi ad Harvard. Diverse volte all'anno sono andato a casa di Teller a Berkeley, e lì ha conosciuto da vicino la sua famiglia.)
In linea di principio, il laser a raggi X Teller è una piccola bomba nucleare circondata da barre di rame. L'esplosione di un'arma nucleare genera un'onda sferica di intensa radiazione di raggi X. Questi raggi ad alta energia passano attraverso aste di rame, che agiscono come il fluido di lavoro del laser e focalizzano l'energia dei raggi X in potenti fasci. I raggi X risultanti possono quindi essere diretti alle testate nemiche. Naturalmente, un tale dispositivo può essere utilizzato solo una volta, poiché un'esplosione nucleare autodistruggerebbe il laser a raggi X.
Il primo test laser a raggi X, soprannominato il test Cabra (Cabra), è stato effettuato nel 1983. Una bomba all'idrogeno è stata fatta esplodere in una miniera sotterranea, quindi un flusso casuale di raggi X da essa è stato focalizzato e convertito in un raggio laser a raggi X coerente. I test inizialmente si sono rivelati positivi; in effetti, è stato questo successo nel 1983 che ha ispirato il presidente Reagan a fare una storica dichiarazione di intenti per costruire uno scudo difensivo da Star Wars. Così è stato lanciato un programma multimiliardario per costruire una rete di dispositivi come i laser a raggi X a pompa nucleare per abbattere i missili balistici intercontinentali nemici. Il lavoro nell'ambito di questo programma continua ancora oggi. (Successivamente si è scoperto che un sensore progettato per registrare e misurare la radiazione durante un test storico,è stato distrutto; quindi, non ci si poteva fidare della sua testimonianza).
È davvero possibile abbattere testate di missili balistici con un dispositivo così non banale? Non è escluso. Ma non bisogna dimenticare che il nemico può escogitare molti modi semplici ed economici per neutralizzare tali armi (ad esempio, si potrebbe ingannare il radar sparando milioni di esche economiche; o far ruotare la testata per disperdere i raggi X in questo modo; o inventare un rivestimento chimico che proteggerebbe la testata dai raggi X). Alla fine, il nemico potrebbe semplicemente produrre in serie testate che perforerebbero lo scudo di Star Wars semplicemente per il loro numero.
Pertanto, i laser a raggi X a pompa nucleare non sono attualmente in grado di proteggere dagli attacchi missilistici. Ma è possibile creare sulla loro base una Morte Nera capace di distruggere un intero pianeta o diventare un efficace mezzo di protezione contro un asteroide in avvicinamento?
Fisica della Morte Nera
È possibile creare un'arma in grado di distruggere un intero pianeta, come in Star Wars? In teoria, la risposta è semplice: sì. E in diversi modi.
Non ci sono limitazioni fisiche per l'energia rilasciata dalla detonazione di una bomba all'idrogeno. È così che va. (Una descrizione dettagliata della bomba all'idrogeno anche oggi è classificata dal governo degli Stati Uniti come la più alta categoria di segretezza, ma in termini generali il suo dispositivo è ben noto.) Una bomba all'idrogeno viene prodotta in più fasi. Combinando il giusto numero di stadi nella giusta sequenza, puoi ottenere una bomba nucleare di quasi qualsiasi potenza predeterminata.
Il primo stadio è una bomba a fissione standard, o bomba atomica; utilizza l'energia dell'uranio-235 per generare una raffica di raggi X, come è successo a Hiroshima. Una frazione di secondo prima che l'esplosione di una bomba atomica faccia a pezzi tutto, appare una sfera in espansione di potenti impulsi a raggi X. Questa radiazione supera l'esplosione effettiva (poiché si muove con la velocità della luce); riescono a focalizzarlo di nuovo e inviarlo a un contenitore con deuteruro di litio, la sostanza attiva di una bomba all'idrogeno. (Esattamente come ciò avvenga è ancora un segreto di stato.) I raggi X cadono sul deuteruro di litio, facendolo collassare istantaneamente e riscaldandolo a milioni di gradi, provocando una seconda esplosione, molto più potente della prima. Il lampo di raggi X risultante da questa seconda esplosioneè quindi possibile rimettere a fuoco il secondo lotto di deuteruro di litio e provocare una terza esplosione. Ecco il principio con cui si possono affiancare tanti contenitori di deuteruro di litio e ottenere una bomba all'idrogeno di inimmaginabile potenza. Pertanto, la bomba più potente nella storia dell'umanità è stata la bomba all'idrogeno a due stadi, che è stata fatta esplodere nel 1961 dall'Unione Sovietica. Poi ci fu un'esplosione con una capacità di 50 milioni di tonnellate di TNT, anche se teoricamente questa bomba era in grado di fornire una potenza di oltre 100 megatoni di TNT (che è circa 5000 volte superiore alla potenza della bomba sganciata su Hiroshima).la bomba più potente della storia umana è stata la bomba all'idrogeno a due stadi, che è stata fatta esplodere nel 1961 dall'Unione Sovietica. Poi ci fu un'esplosione con una capacità di 50 milioni di tonnellate di TNT, anche se teoricamente questa bomba era in grado di fornire una potenza di oltre 100 megatoni di TNT (che è circa 5000 volte superiore alla potenza della bomba sganciata su Hiroshima).la bomba più potente della storia umana è stata la bomba all'idrogeno a due stadi, che è stata fatta esplodere nel 1961 dall'Unione Sovietica. Poi si è verificata un'esplosione con una capacità di 50 milioni di tonnellate di TNT, anche se teoricamente questa bomba era in grado di produrre più di 100 megatoni di TNT (che è circa 5000 volte più della potenza della bomba sganciata su Hiroshima).
Tuttavia, sono necessari poteri completamente diversi per accendere un intero pianeta. Per fare ciò, la Morte Nera dovrebbe lanciare nello spazio migliaia di tali laser a raggi X, che dovrebbero quindi essere sparati simultaneamente. (Per fare un confronto, al culmine della Guerra Fredda, gli Stati Uniti e l'Unione Sovietica hanno accumulato circa 30.000 bombe nucleari ciascuno.) L'energia combinata di un numero così enorme di laser a raggi X sarebbe stata sufficiente per accendere la superficie del pianeta. Pertanto, l'Impero Galattico del futuro, a centinaia di migliaia di anni da noi, potrebbe, ovviamente, creare un'arma del genere.
Per una civiltà altamente sviluppata, c'è un altro modo: creare una Morte Nera che utilizzi l'energia di una fonte cosmica di lampi di raggi gamma. Da una simile Morte Nera sarebbe emanata un'esplosione di radiazioni, seconda solo per potenza al Big Bang. Le sorgenti dei lampi di raggi gamma sono un fenomeno naturale, esistono nello spazio; tuttavia, è concepibile che un giorno una civiltà avanzata possa sfruttare la loro enorme energia. È possibile che se prendiamo il controllo della rotazione di una stella molto prima del suo collasso e della nascita di un'ipernova, allora sarà possibile dirigere il "colpo" della sorgente dei lampi di raggi gamma in qualsiasi punto dello spazio.
Fonti di lampi di raggi gamma
Le sorgenti cosmiche di GRB furono notate per la prima volta negli anni '70. sui satelliti Vela lanciati dai satelliti militari statunitensi, progettati per rilevare "lampi extra" - prova dell'esplosione di una bomba nucleare illegale. Ma invece di razzi sulla superficie terrestre, i satelliti hanno rilevato gigantesche raffiche di radiazioni dallo spazio. La scoperta a sorpresa iniziale ha scatenato il panico al Pentagono: i sovietici stanno testando nuove armi nucleari nello spazio profondo? Successivamente si è riscontrato che le esplosioni provengono uniformemente da tutte le direzioni della sfera celeste; questo significava che stavano effettivamente arrivando nella galassia della Via Lattea dall'esterno. Ma, se assumiamo un'origine veramente extragalattica delle esplosioni, il loro potere si rivelerà veramente astronomico - dopotutto, sono in grado di "illuminare" l'intero universo visibile.
Dopo il crollo dell'Unione Sovietica nel 1990, il Pentagono ha inaspettatamente declassificato un'enorme quantità di dati astronomici. Gli astronomi sono rimasti sbalorditi. Improvvisamente si sono resi conto che stavano affrontando un nuovo misterioso fenomeno da quelli che sono costretti di volta in volta a riscrivere libri di testo e libri di consultazione.
La durata dei lampi di raggi gamma è breve e va da pochi secondi a diversi minuti, quindi è necessario un sistema di sensori attentamente organizzato per rilevarli e analizzarli. Innanzitutto, i satelliti registrano un'esplosione di radiazioni gamma e inviano le coordinate esatte della sorgente alla Terra. Le coordinate ottenute vengono trasmesse a telescopi ottici o radiotelescopi che, a loro volta, sono puntati su un punto specificato nella sfera celeste.
Sebbene al momento non si sappia tutto sui lampi di raggi gamma, una delle teorie sulla loro origine afferma che le sorgenti dei lampi di raggi gamma sono "ipernove" di straordinaria forza, che lasciano dietro di sé enormi buchi neri. In questo caso, si scopre che le fonti dei lampi di raggi gamma sono mostruosi buchi neri nella fase di formazione.
Ma i buchi neri emettono due getti, due flussi di radiazioni, dal polo sud e dal nord, come una trottola. La radiazione del lampo di raggi gamma che registriamo appartiene, a quanto pare, a uno di questi flussi, quello che si è rivelato essere diretto verso la Terra. Se il flusso di radiazioni gamma da una tale sorgente fosse diretto esattamente verso la Terra e la sorgente stessa fosse nelle nostre vicinanze galattiche (a una distanza di diverse centinaia di anni luce dalla Terra), la sua potenza sarebbe sufficiente a distruggere completamente la vita sul nostro pianeta.
In primo luogo, un impulso elettromagnetico generato dai raggi X da una sorgente di lampi di raggi gamma avrebbe disabilitato tutte le apparecchiature elettroniche sulla Terra. Un potente fascio di raggi X e radiazioni gamma causerebbe danni irreparabili all'atmosfera terrestre, distruggendo lo strato protettivo di ozono. Quindi un flusso di raggi gamma riscalderebbe la superficie della Terra, provocando mostruose tempeste di fuoco che alla fine avrebbero inghiottito l'intero pianeta. Forse la fonte dei lampi di raggi gamma non avrebbe fatto saltare in aria il pianeta, come mostrato nel film "Star Wars", ma avrebbe certamente distrutto tutta la vita su di esso, lasciandosi dietro un deserto carbonizzato.
Si può presumere che una civiltà che ci ha superato nello sviluppo di centinaia di milioni di anni imparerà a dirigere tali buchi neri verso l'obiettivo desiderato. Ciò può essere ottenuto imparando a controllare il movimento dei pianeti e delle stelle di neutroni e dirigerli verso una stella morente con un angolo calcolato con precisione appena prima del collasso. Uno sforzo relativamente piccolo sarà sufficiente per deviare l'asse di rotazione della stella e mirarlo nella direzione desiderata. Quindi la stella morente si trasformerà nel più grande cannone a raggi che si possa immaginare.
Ricapitolare. L'uso di potenti laser per creare armi e spade laser portatili o portatili dovrebbe essere classificato come impossibilità di classe I - molto probabilmente, questo diventerà possibile nel prossimo futuro, o, diciamo, nei prossimi cento anni. Ma il compito estremamente difficile di puntare una stella rotante prima di esplodere e trasformarla in un buco nero, cioè convertirla in una Morte Nera, dovrebbe essere considerato come un'impossibilità di classe II - qualcosa che non contraddice chiaramente le leggi della fisica (dopotutto, le fonti dei lampi di raggi gamma esistono nella realtà), ma può essere realizzato solo in un lontano futuro, dopo migliaia o addirittura milioni di anni.
Dal libro: "Physics of the Impossible".
