Умельцы создали настоящий световой меч — все как в фильме! (обновлено)
Фантастические рассказы авторов прошлых столетий очень часто оказываются пророческими. Так, фантасты 20 века предсказали мобильные телефоны, телевидение, кондиционеры и даже модифицированные продукты. А в конце прошлого года сбылось еще одно предсказание — умельцы наконец-то собрали настоящий и функционирующий световой меч!
Энтузиасты на самом деле создали рабочий прототип светового меча из Звездных Войн. Это сверхмощная плазменная горелка, которая создает факел правильной формы и выглядит, как меч из фантастического фильма. Впрочем, это нужно видеть.
Конечно, такая «игрушка» не для детей — световой меч работает на сжиженном газу, а его пламя разогревается до 4000 градусов. Этого достаточно, чтобы вмиг расплавить лист металла, толщиной в несколько миллиметров.
Теперь понятно, каким образом Квай Гон плавил люк в отсеке космического корабля.
Возможны ли световые мечи в реальности
Технология вымышленного светового меча сталкивается с рядом трудностей, преодолеть которые сегодня не представляется возможным. Но из этой ситуации все же есть выход — плазменные мечи
Световой меч вселенной «Звездных войн» обычно ассоциируется с лазером или лазерным лучом, который способен сжигать, резать или повреждать объект или врага. Технически, с момента их изобретения в 1960 году физики создали много различных видов лазеров, и они нашли широкое применение: от красных лазеров мощностью 0,001 Вт, используемых для сканирования штрих-кодов при оформлении покупок, безопасных для глаз ИК-лазеров мощностью 1 Вт, используемых для картографирования зданий и дорог, до дистанционного зондирования и термоядерного синтеза.
Это происходит потому, что фотоны не имеют массы, а это значит, что лазер или оптический луч тоже не имеют массы. Однако из этого правила есть научное исключение: как обнаружил недавний лауреат Нобелевской премии по физике А. Ашкин, лазерный луч при правильных условиях можно использовать в качестве оптической ловушки или в качестве оптического пинцета для захвата и перемещения очень мелких объектов, таких как бактерии. Но согласитесь, есть разница между перемещением бактерии и созданием сверхтвердого клинка лазерного меча.
Новая надежда: как создать световой меч?
Элегантное оружие… более цивилизованной эпохи. Так световой меч представили зрителям порядка 40 лет назад. Будучи неизменным элементом антуража любого джедая, светящийся меч тысячелетиями хранился в галактической республике. Вместе с первым появлением на публике в 1977 году, когда вышел первый фильм «Звездные войны», характерное гудение светового меча и эпическая битва между Дартом Вейдером и Оби-Ван Кеноби надолго остались в памяти зрителей. Старший ученый лаборатории Ферми прорабатывает реальные варианты воплощения светового меча в жизнь. И, как рассказывает Дон Линкольн, он обязательно появится.
Построить световой меч
Учитывая влияние франшизы «Звездных войн» на общество, было неизбежным появление сегмента общества, который хотел сделать световой меч и даже с ним тренироваться. Но какая технология могла бы лечь в его основу? Отсюда начались первые попытки обратной разработки этого устройства. Обратная разработка, в этом контексте, это мышление о том, как это возможно сделать… а не построить один такой меч.
Признайте, было бы неплохо заполучить такой меч в подарок к Новому году. Но «Звездные войны», как ни крути, это научная фантастика. Что бы могли сделать ученые и инженеры, чтобы построить такой меч (на экране он, конечно, прекрасен, но ограничить луч лазера таким образом практически невозможно).
Учитывая название и внешний вид, возникает первая очевидная мысль: наверное, эти световые мечи включают какой-то тип лазера. Но эту гипотезу легко исключить. Лазеры не имеют фиксированную длину, что легко проверить с помощью простой лазерной указки. Кроме того, если свет каким-то образом не рассеивается, лазерный луч по сути невидим. Ни одна из этих характеристик не описывает наш меч.
Плазменные лезвия?
Более реалистичной технологией будет плазма. Такой материал создается после выбивания электронов у атомов газа, в процессе так называемой ионизации. Плазма — четвертое состояние вещества, после хорошо известных твердого, жидкого и газообразного. Примеры плазмы вы тоже в своей жизни видели и немало. Свечение флуоресцентного света — плазма, неоновые огни — тоже.
Эта плазма кажется весьма холодной, поскольку можно потрогать трубку и не обжечь пальцы. Но обычно плазма горячая, с температурой в несколько тысяч градусов. Однако плотность газа во флуоресцентной световой трубе настолько низкая, что даже при высокой температуре общее количество энергии тепла очень низкое. Дополнительная сложность в том, что электроны в плазме имеют энергию значительно выше, чем ионизированные атомы, из которых эти электроны вышли. Тепловая энергия чашки кофе (температура которой намного ниже) значительно выше энергии, заключенной во флуоресцентном свете.
Некоторая плазма, впрочем, вырабатывает существенное тепло. В плазмотронах. Принцип их работы такой, как у лампочки, но с большим количеством электрического тока. Есть много способов сделать плазмотрон, но самый простой включает два электрода и проводящий материал, обычно газ вроде кислорода, азота или чего-то типа. Высокое напряжение на электродах ионизирует газ, превращая его в плазму.
Итак, плазмотроны могут генерировать области сильного тепла, но требуют огромного количества электрического тока, а световые мечи, похоже, не в силах обеспечить такой ток. Может быть, тогда световые мечи — просто трубки со сверхгорячей плазмой? Тоже нет, поскольку плазма выступает в качестве горячего газа, который расширяется и остывает, подобно обычному огню (который тоже часто бывает плазмой хотя бы в силу того, что светится). Таким образом, если плазма будет лежать в основе светового меча, ее нужно будет в чем-то удерживать.
К счастью, такой механизм есть. Плазмой, состоящей из заряженных частиц (с высокой скоростью), можно управлять магнитными полями. На самом деле, ряд наиболее перспективных технологий, связанных с ядерным синтезом, используют магнитные поля для удержания плазмы. Температура и общая энергия, заключенные в синтезируемой плазме, настолько высоки, что расплавили бы даже содержащий их металлический сосуд.
Возможно, световым мечам подойдет. Сильные магнитные поля вкупе со сверхгорячей и плотной плазмой предлагают возможный способ создать световой меч. Но мы еще не закончили.
Если мы возьмем две трубки с плазмой, которые удерживаются магнитно, они будут проходить друг друга насквозь… никаких эпичных дуэлей не будет. Поэтому нам нужно выяснить, как сделать у мечей твердое ядро. И материал, из которых оно будет состоять, должен быть устойчив к высоким температурам.
Возможно, подойдет керамика, которая может подвергаться воздействию высоких температур без плавления, размягчения или искривления. Но у твердого керамического ядра есть проблема: когда джедай не пользуется мечом, тот свисает у него с пояса, а рукоять в длину 20-25 сантиметров. Керамическое ядро должно выпрыгивать из рукоятки, как черт из табакерки.
Грубая сила
В «Звездных войнах: Эпизод I — Скрытая угроза» Квай-Гон Джинн вставляет свой световой меч в тяжелую дверь, сначала делая глубокий разрез, а затем просто ее расплавляя. Если взглянуть на эту последовательность и предположить, что дверь стальная, учесть время, затраченное на нагрев и плавку металла, можно подсчитать энергию, которой должен обладать такой меч. Выходит где-то 20 мегаватт. Учитывая средний расход бытовой электросети — примерно 1,4 киловатта — одним световым мечом можно запитать 14 000 обычных домов, пока не иссякнет батарея.
Источник питания такой плотности явно выходит за пределы современных технологий, но, возможно, мы можем допустить, что джедаи знают какой-то секрет. В конце концов, они путешествуют быстрее скорости света.
Но есть физическая проблема. Такая энергия подразумевает, что плазма будет невероятно горячей и на расстоянии всего нескольких дюймов от руки владельца меча. И это тепло будет излучаться в форме инфракрасного излучения. Рука джедая должна мгновенно обуглиться. Значит, какая-нибудь сила должна удерживать тепло. И опять же, лезвия мечей используют оптические длины волн, поэтому силовое поле должно удерживать инфракрасное излучение, но пропускать видимое.
Такие технические исследования неизбежно приводят к необходимости неизвестных технологий. Но мы хотя бы можем просто сказать, что световой меч состоит из некоторого рода концентрированной энергии, заключенной в силовом поле.
Память подсказывает, как Майкл Окуда, технический консультант франшизы «Звездный путь», объяснил новую технологию, которая сделала возможными транспортеры. Он сказал, там были «компенсаторы Гейзенберга», предположительно необходимые для исправления проблем, вызванных принципом неопределенности Гейзенберга. Это знаменитый квантово-механический принцип, согласно которому вы не можете одновременно знать с высокой точностью местоположение и скорость частицы. Поскольку человек состоит из множества частиц (атомов и их составляющих), если вы когда-либо попытаетесь просканировать кого-нибудь, чтобы выяснить местоположение всех его атомов, вы не сможете точно измерить их положение и движение. А значит, когда попытаетесь пересобрать кого-нибудь, не сможете точно собрать протоны, нейтроны и электроны воедино. На глубоком и фундаментальном физическом уровне, принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что такие транспортеры невозможны. Но кто такой Гейзенберг для создателей «Звездного пути»? Когда журналисты Time спросили, как работает такое устройство, они ответили «очень хорошо, спасибо».
Осталось спросить инженеров, насколько сложно будет все это сделать. Но они ведь смогут, правда?
Возможно ли создать световой меч с точки зрения современной науки?
В качестве иллюстрации из реальной жизни можно привести вот эту электрическую дугу, которая изменяет свою форму под воздействием магнитного поля во время проигрывания музыки:
Другой пример дуги:
Вполне можно себе представить, как эта дуга «берётся» посередине и вытягивается примерно на метр, превращаясь в «клинок» меча. Хотя в реальности это очень сложная задача, но к этому мы ещё вернёмся.
Сегодня мы уже используем технологии, весьма близкие к данному выше описанию принципа действия светового меча. Например, в аппаратах для резки металла на фабриках по всему миру применяется «луч» сверхгорячей плазмы (до 40 000 градусов).
На это схеме показано устройство плазменного резака, и оно похоже на то, как может быть устроен световой меч. К сожалению, на этом сходство заканчивается. Образуемая дуга очень мала по размеру (на схеме она обозначена голубой линией). Она воспламеняет подающийся под давлением газ, который работает как теплоноситель, отводя энергию дуги наружу.
Пока что мы не владеем технологией, позволяющей вытянуть и удерживать дугу с помощью магнитного поля. Даже если вытянуть её наружу из некой гипотетической рукоятки, она будет нестабильна, постоянно отклоняясь в стороны в случайном порядке, стремясь «прилипнуть» к ближайшей поверхности.
Другой путь
Источник энергии всё ещё будет очень велик, возможно, его придётся носить в рюкзаке. Необходимо будет решить проблему теплоизоляции рукоятки, в том числе с помощью принудительного ограничения времени непрерывной работы. Учитывая очень большую яркость свечения раскалённой проволоки, нужно будет пользоваться специальными светозащитными очками. Если уж мы говорим об использовании самых передовых достижений науки, то очки также могут быть не просто оптическими фильтрами. Пожалуй, целесообразно будет использовать умные очки. Будучи совершенно прозрачными при обычном ношении, они будут динамически затемнять или делать непрозрачной только небольшую зону поля зрения, достаточную, чтобы покрыть раскалённую сияющую проволоку.
Вот так мог бы выглядеть, в результате, описываемый «энергетический вибро-меч»:
Можно ли создать световой меч?
В преддверии премьеры фильма «Звёздные войны: Пробуждение Силы» я решил выкатить статью на полтора Азара с мыслями о том, насколько реально создать настоящий световой меч.
К решению нашей задачи есть два подхода. Первый заключается в том, что мы берём канон, вытаскиваем из него информацию о технологиях, используемый во вселенной ЗВ, и пытаемся адаптировать их в нашей реальности. Проблема здесь в том, что сами авторы франшизы слабо представляют себе физические основы того, что они описывают, и, как это делает большинство авторов фантастики и фэнтези, они прячутся за понятиями абстрактной «энергии» или «магии» (а в данном случае, Силы). Впрочем, авторы и не обязаны давать обоснования всему, что происходит в произведении, да и большинство из нас наслаждается сюжетами без оглядки на научные нестыковки, до тех пор, пока их можно скрыть за приемлемыми абстракциями. Поэтому головная боль о приведении фантастических технологий под реальную физическую основу – это, как правило, удел техногиков-перфекционистов.
Забегая немного вперед, сразу скажу, что удовлетворить одновременно всем требованиям, приведенным выше, кажется, не сможет ни одна технология. Тем не менее, не лишним разобраться, как же можно достичь хотя бы части из них. Для этого необходимо понять, что же мы предполагаем использовать в качестве рабочего тела светового меча.
Фотоны же не притягиваются друг к другу, они вообще никак не взаимодействуют без каких-либо посредников. По этой причине знаменитый физик-теорик и популяризатор науки, доктор Митио Каку в своей программе «Научная нефантастика» предложил сделать световой меч на базе высокоионизированной плазмы, которая будет выходить из маленьких отверстий по всей длине цилиндрического выдвижного телескопического полого клинка. Телескопический каркас необходим из-за того, что плазма сама по себе не твердая и не обеспечит нам требуемых характеристик. Это, конечно, не так изящно, как хотелось бы, поскольку в основе рабочего тела меча используется твердый материал, зато такой клинок будет удовлетворять ряду критериев. В частности, он будет светиться, при соприкосновении с инородным телом он будет воздействовать на него мощным тепловым воздействием, а также его можно будет скрестить с другим клинком. Более того, при определенных условиях плазма может отражать электромагнитное излучение.
Тем не менее, у такого светового меча есть свои проблемы. Например, для его функционирования необходим мощный источник энергии. Во вселенной ЗВ проблема с энергией решалась её возвратом обратно в меч. Здесь же нет никакого разумного способа вернуть энергию, растраченную на ионизацию. Каку предложил решить эту проблему с помощью использования нанотехнологий в батареях нового типа, однако вопрос о возможности реализации такой батареи до сих пор открыт. Я бы в качестве альтернативы предложил компактные термоядерные батареи. Они, в прочем, пока тоже не созданы. Другой проблемой плазменного меча стало бы вредное ультрафиолетовое излучение от плазмы. Неспроста сварщики используют маски в процессе своей работы.
Но вернемся к свету. Выше я обронил фразу, что фотоны не взаимодействуют без посредников. В самом деле, два фотона, встретившиеся в вакууме пройдут сквозь друг друга. Вместе с тем, если они встретятся не в вакууме, а в среде, они могут провзаимодействовать с той или иной интенсивностью. В этом случае среда выступает в роли посредника. Среды, в которых фотон-фотонное взаимодействие сильное, называются нелинейными средами. Относительно недавно была продемонстрирована способность фотонов притягиваться друг к другу, что сразу же запустило разговоры о фотонной материи и о световых мечах.
Только нужно помнить, что условия, в которых такое притяжение наблюдалось, мягко говоря, экстремальные: ультрахолодный газ (то есть с температурой, холоднее, чем в космосе (!)) в оптической ловушке. Иначе говоря, такая система слишком хрупкая, и вряд ли это можно использовать при любых условиях, что ожидаемо от действующего светового меча. А учитывая, что для создания разрушающего действия нам понадобится гигантское количество света, которое сметёт с пути саму нелинейную среду, этот путь реализации светового меча кажется чистой фантазией. Ситуацию, как и в предыдущем способе, усугубляет необходимость иметь нефотонную основу клинка, которая должна каким-то образом появляться или исчезать.
Итак, в случае светового меча, основанного на нелинейной среде, мы опять сталкиваемся с необходимостью иметь какой-либо осязаемый посредник. Неужели нет способа заставить свет вернуться назад без использования каких-либо специальных приспособлений, которые должны были бы выдвигаться? На самом деле у природы есть один такой способ – это гравитация. Существует способ искривлять траекторию света, основанный на эффекте гравитационной линзы. Действительно, гравитация от достаточно массивного объекта способна притягивать фотоны вплоть до полного поглощения. В полной мере насладиться красотой этого явления нам позволил фильм «Интерстеллар», где в качестве спецэффектов использовались результаты моделирования, опубликованные в настоящей научной статье.
Можно ли создать световой меч на основе гравитации? Маловероятно. Чтобы заставить свет вернуться назад, необходима огромная масса. Несложные расчеты показывают, что чтобы вернуть фотон, который успеет отдалиться от гарды меча на 1 метр (примерная длина клинка), в рукояти должна быть заключена масса порядка нескольких сотен масс Земли. Учитывая, что эта масса должна быть сконцентрирована в столь малом объёме, это неизбежно вызовет образование черной дыры, которая засосёт не только фотон, но и незадачливого хозяина клинка. Кроме этого очевидного промаха, у данной технологии есть ряд других неудовлетворительных сторон. В частности, свет клинка по мере отдаления от рукояти должен будет меняться в красную сторону по спектру. Правда, увидеть мы этого не сможем, ведь, если мы хотим вернуть фотоны обратно, ни один из них не сможет вылететь из светового меча, чтобы донести до нас его свечение. Наконец, при скрещивании двух таких мечей, они будут стремиться притянуться друг к другу, хотя нам нужен противоположный эффект.
В свете всего вышеперечисленного перспективы создания светового меча на основе фотонной материи кажутся крайне призрачными. Тем не менее, в оптике есть ещё один, крайне экзотический эффект, о котором мало кто знает даже среди тех, кто, собственно, оптикой занимается. Когда я писал, что фотоны в вакууме проходят сквозь друг друга, я немного слукавил. В реальности даже вакуум – среда, в которой нет никаких частиц, обладает своей нелинейностью, только эта нелинейность крайне мала. Объяснение природы этой нелинейности лежит в области квантовой теории поля, но если описывать её в двух словах, то она заключается в том, что все фотоны, распространяясь в вакууме, постоянно создают пары частица-античастица (самый вероятный вариант: пара электрон-позитрон), которые живут крайне малое время и очень быстро схлопываются. Есть шансы, что другой фотон успеет провзаимодействовать с такой парой до того, как она исчезнет (аннигилирует), и тогда эта виртуальная пара станет посредником при взаимодействии света со светом. Эти шансы мизерны, но они растут либо с ростом энергии фотона (потому что пара будет дольше жить), либо с ростом интенсивности излучения (потому что станет больше фотонов в единице объема = больше шансов, что на пару налетит фотон).
Рост энергии фотона означает, что в конечном итоге мы должны прийти к гамма-излучению. Но, чтобы световой меч был видимым, нам нужно реализовать нелинейность на оптическом фотоне, то есть на фотоне, в миллион раз менее энергичном, чем гамма-квант. Остается один путь: накачивать мощность оптического излучения. Здесь нам на помощь приходит технология лазеров, про которую можно много где почитать и даже посмотреть. Интересно, что иногда встречается другой термин, обозначающий сабж: «лазерный меч». Может быть, эта технология приблизит нас к заветному оружию? Рассмотрим её поподробнее.
Итак, при достижении определенного порога, который носит название предел Швингера (примерно 10^30 Вт/см^2), интенсивности излучения достаточно, чтобы виртуальные электрон-позитронные пары жили достаточно долго, дабы реализовать нелинейность в вакууме. В этом случае рабочее тело клинка будет представлять собой электрон-позитронную плазму, которая, в отличие от случая с плазменным мечом, будет рождаться и рассеиваться вместе с лазерным лучом. Более того, на создание такой плазмы будет тратиться энергия луча, который должен из-за этого сужаться к концу, пока совсем не истончится. Таким образом, задавая начальную интенсивность лазера, мы можем регулировать длину клинка.
Что интересно: согласно канону ЗВ, в устройстве светового меча большую роль играют особые кристаллы, которые помещаются в его рукоятку. От них зависят различные характеристики, в том числе цвет клинка. Вместе с тем, большинство твердотельных лазеров также основано на использовании специальных кристаллов – так называемых активных сред. Как правило, такие кристаллы представляют собой какую-либо известную и распространенную основу (например, корунд), с примесью специальных атомов, которые определяют свойства будущего лазера, в том числе и цвет. Поиском новых рецептов для структуры и состава этих лазерных кристаллов занимаются целые институты, это очень важная прикладная задача. Этот пикантный момент добавляет интриги в вопрос о том, можно ли создать световой меч на технологии интенсивных лазеров.
Что ж, звучит многообещающе, но лазерных мечей в продаже пока нет, где же подвох? Разумеется, не все так просто. В первую очередь, как и обычная плазма, электрон-позитронная будет облучать пространство вокруг себя целым набором высокоэнергетических фотонов, включая гамма-излучение. Помимо этого, из клинка будут вылетать шальные электроны и позитроны, что с точки зрения радиационной безопасности считается бета-излучением. Таким образом, получающийся меч становится сильно радиоактивным.
Другим недостатком является тот факт, что при столкновении такие клинки, скорее всего, просто проходили бы сквозь друг друга. Наконец, есть проблема энергетическая. Как и в случае меча Каку, затраченная энергия здесь не возвращается обратно в меч, а рассеивается в виде радиации, а ведь в такой схеме нужны астрономические цифры по мощности, которые не сможет обеспечить даже термоядерный реактор, если бы его можно было упаковать в рукоятку меча. Даже сама идея о том, что настолько мощный лазер мог бы быть умещён в руке, кажется фантастикой, ведь даже рекордные по интенсивности лазеры (до 10^23 Вт/см^2) занимают по площади несколько футбольных полей.
Кстати, излучение швингеровской мощности, распространяясь в пустом пространстве, может вести себя довольно интересно. Дело в том, что в нелинейных средах возможно образование так называемых солитонов: сгустков света, которые распространяются единым неразрушающимся волновым пакетом, со скоростью, меньшей, чем обычная скорость света. Если мы представим себе вакуум в нелинейном режиме, то, теоретически, там возможно образование таких солитонов. Скорее всего, они будут рассеивать фотоны, из которых они состоят, в окружающее пространство, таким образом, что солитоны можно будет наблюдать сбоку (обычный лазерный луч в пустоте не виден). Таким образом можно было бы объяснить аномальное с точки зрения привычной оптики поведение выстрелов из бластеров во вселенной ЗВ.
