Мичио Каку
Физика на невъзможното (5)

3. Фазери и звезди на смъртта

Радиото няма бъдеще. По-тежките от въздуха летящи машини са невъзможни. Рентгеновите лъчи ще се окажат измама.

Лорд Келвин, 1899 г.

(Атомната) бомба никога няма да избухне. Казвам това като експерт по експлозивите.

Адмирал Уилям Лий

Четири-три-две-едно, огън!

Звездата на смъртта е колосално оръжие, достигащо размера на цяла луна. Стреляйки право към безпомощната планета Олдераан — родния свят на принцеса Лея, Звездата на смъртта я изпепелява, карайки я да избухне в титанична експлозия, като разпръсва планетарни отломки, които се разлетяват из цялата слънчева система. Един милиард човешки души изкрещяват от болка, пораждайки смущение в Силата, което е усетено в цялата галактика.

Но дали оръжието Звезда на смъртта от „Междузвездни войни“ е възможно наистина? Би ли могло такова оръжие да насочи батарея от лазерни оръдия към цяла планета, за да я изпари? Ами прочутите лазерни мечове, носени от Люк Скайуокър и Дарт Вейдър, които могат да разрязват закалена стомана, са направени от светлинни лъчове? Дали лъчеви оръжия като фазерите в „Стар Трек“ са постижими за бъдещите поколения офицери и войници, строго прилагащи закона?

Докато гледали „Междузвездни войни“, милиони зрители били поразени от тези оригинални, смайващи специални ефекти, но те нямали успех сред някои критици, които ги атакували остро, като твърдели, че всичко това е много забавно, но е очевидно невъзможно. Лъчевите оръжия с големината на луна, които взривяват цели планети, са крайно необичайни.

Същото важи и за мечовете, направени от втвърдени светлинни лъчи, повтаряли те, дори действието да се развива в галактика, която се намира много далеч от нас. Майсторът на специални ефекти Джордж Лукас сигурно си бил загубил времето, защото никак не бил убедителен.

Може би е трудно да се повярва в това, но е факт, че няма физическо ограничение на количеството необработена енергия, която може да бъде натъпкана в един светлинен лъч. Няма закон на физиката, който да предотвратява създаването на Звезда на смъртта или на лазерни мечове. Всъщност взривяващите цели планети лъчи на гама-радиацията съществуват в природата. Титаничното избухване на радиация от далечен излъчвател на гама-лъчи, разположен дълбоко в Космоса, предизвиква експлозия, която отстъпва по мощност единствено на самия Голям взрив. Всяка планета, която има лошия късмет да се намира в рамките на пресечните линии на лъчите на един излъчвател на гама-лъчи, наистина ще бъде изпържена или разтрошена на парченца.

Лъчевите оръжия в исторически план

Мечтата да бъдат впрегнати на работа лъчи от енергия действително не е нова. Тя се корени още в древната митология и наука. Гръцкият бог Зевс бил прочут със способността си да стоварва гръмотевици върху простосмъртните. Норвежкият бог Тор имал вълшебен чук, наречен Мьолнир, който можел да изстрелва мълнии, а индийският бог Индра бил известен със способността си да насочва енергийни лъчи от едно вълшебно копие.

Представата, че лъчите могат да се използват като практическо оръжие, вероятно се е появила с дейността на великия гръцки математик Архимед, може би най-големия учен през цялата античност, който открил груба версия на математическия анализ преди две хиляди години, преди Нютон и Лайбниц. По време на една легендарна битка срещу войските на римския генерал Марцел по време на Втората пуническа война през 214 г. пр.Хр. Архимед подпомогнал защитата на царство Сиракуза. Легендата разказва, че създал големи батареи от слънчеви отражатели, които фокусирали слънчевите лъчи върху платната на вражеските кораби, като ги карали да пламнат. (Дори днес сред учените все още се води спор дали това е било действащо на практика лъчево оръжие. Различни екипи от учени са се опитвали да възпроизведат ефекта, но с променлив успех.)

Лъчевите оръжия се появяват с гръм и трясък на сцената на научната фантастика през 1889 г. с класиката на Х. Дж. Уелс „Войната на световете“, в която извънземни от Марс опустошават цели градове, като изстрелват лъчи топлинна енергия от оръжия, монтирани на триножници. През Втората световна война нацистите, които винаги са проявявали силното желание да експлоатират последните разработки в областта на технологиите, за да завладеят света, са провеждали експерименти с различни форми на лъчеви оръжия, включително със звуково устройство, основано на параболични огледала, което можело да фокусира интензивни звукови лъчи.^[1]

Оръжия, създадени от фокусирани светлинни лъчи, са навлезли в общественото въображение с филма за Джеймс Бонд „Голдфингър“ — първия холивудски филм, в който лазер играе главна роля в действието.^[2] (Легендарният британски шпионин бил завързан за метална маса, докато мощен лазерен лъч постепенно стопявал масата между краката му и заплашвал да го разреже на две.)

Първоначално физиците се надсмивали над идеята за лъчевите оръжия, които играели главна роля в романа на Уелс, тъй като те нарушавали законите на оптиката. Според уравненията на Максуел светлината, която виждаме около нас, се разпръсва бързо и е некохерентна (т.е. тя представлява смесица от вълни с различни честоти и фази). Дълго време учените смятали, че кохерентните, фокусирани еднакви лъчи светлина, на каквито ставаме свидетели в случая с лазерните лъчи, са невъзможни за създаване.

Квантовата революция

Всичко това се променило с появата на квантовата теория. На границата между XIX и XX в. било ясно, че макар и законите на Нютон и уравненията на Максуел да постигат зрелищен успех при обяснението на движението на планетите и на поведението на светлината, не биха могли да обяснят цял клас явления. Те се проваляли напълно в опита си да докажат защо материалите провеждат електричество, защо металите се топят при определени температури, защо газовете излъчват светлина, когато бъдат затоплени, защо определени вещества стават свръхпроводници при ниски температури — всичко това изисквало разбиране на вътрешната динамика на атомите. Времето било назряло за революция. Двеста и петдесетте години на Нютоновата физика се готвели да бъдат превъзмогнати, известявайки на света за болките при раждането на една нова физика.

През 1900 г. Макс Планк в Германия предложил теория, според която енергията не е непрекъсната, както смятал Нютон, а се среща под формата на малки, обособени пакети, наречени „кванти“. След това, през 1905 г. Айнщайн постулирал, че светлината се състои от тези миниатюрни обособени пакети (или кванти), които той по-късно нарекъл „фотони“. С помощта на тази могъща, но проста идея Айнщайн успял да обясни фотоелектрическия ефект, както и защо електрони биват излъчени от метали, когато запалите светлина върху тях. Днес фотоелектрическият ефект и фотонът изграждат основата на телевизията, лазерите, слънчевите клетки и голяма част от модерната електроника. (Теорията за фотона на Айнщайн била толкова революционна, че дори Макс Планк, който бил голям поддръжник на Айнщайн, първоначално не могъл да повярва в нея. В статия за Айнщайн Планк пише: „Че дори той можел да пропусне понякога целта… като например в случая с хипотезата му за светлинните кванти и ние не можем да го виним за това.“^[3])

През 1913 г. датският физик Нилс Бор дава на света съвсем нова визуална представа за атома — представа, която прилича на миниатюрна слънчева система. Но за разлика от една слънчева система в открития космос електроните могат да се движат само в отделни орбити или слоеве около ядрото. Когато електроните „скачат“ от един слой в по-тънък слой с по-малко енергия, те излъчват един фотон енергия. Когато един електрон погълне фотон с отделна енергия, той „скача“ към по-дебел слой с повече енергия.

Теорията за атома става почти завършена през 1925 г. с появата на квантовата механика и революционния труд на Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг и някои други учени. Според квантовата теория електронът е частица, но той има вълна, която е свързана с него, давайки му и частичкоподобни, и вълноподобни свойства. Вълната се подчинявала на едно уравнение, наречено „вълново уравнение на Шрьодингер“, което дава възможност на хората да изчисляват свойствата на атомите, включително всичките „скокове“, постулирани от Бор.

Преди 1925 г. атомите все още били смятани за мистериозни обекти, които според мнозина учени като философа Ернст Мах нямало как да съществуват. След 1925 г. човек можел наистина да надзърне дълбоко в динамиката на атома и действително да предсказва неговите свойства. Смайващо, но това означава, че ако разполагате с достатъчно мощен компютър, бихте могли да извлечете свойствата на химичните елементи от законите на квантовата теория. По същия начин, по който Нютоновите физици можели да изчислят движението на всички небесни тела във Вселената, ако притежавали достатъчно мощна изчислителна машина, квантовите физици твърдели, че биха могли по принцип да пресметнат всички свойства на химичните елементи във Вселената. Ако човек разполага с достатъчно мощен компютър, той би могъл и да опише вълновата функция на цяло човешко същество.

Мазери и лазери

През 1955 г. професор Чарлс Таунс от Калифорнийския университет в Бъркли и неговите колеги генерирали първото кохерентно излъчване под формата на микровълни. То било кръстено „мазер“ (и ставало дума за микровълново увеличаване чрез стимулирано излъчване на радиация). Той и руските физици Николай Басов и Александър Прохоров накрая щели да спечелят Нобеловата награда през 1964 година. Скоро те разширили обхвата си върху видимата светлина, създавайки лазера. (Фазерът обаче е измислено устройство, популяризирано в „Стар Трек“.)

Когато става дума за лазер, започвате със специална междинна среда, която ще предава лазерния лъч. Става дума за специален газ, кристал или диод. След това напомпвате енергия в тази междинна среда отвън, под формата на електрически ток, радиовълни, светлина или химична реакция. Този внезапен прилив на енергия активизира атомите в междинната среда, затова електроните поглъщат енергията и после скачат във външните електронни слоеве.

В това възбудено състояние междинната среда е нестабилна. Ако човек изпрати светлинен лъч през междинната среда, фотоните ще ударят всеки атом, карайки го да падне изведнъж на по-ниско равнище, отделяйки по време на този процес още фотони. Това на свой ред принуждава още повече електрони да отделят фотони, създавайки накрая водопад от падащи атоми, като трилион трилиони фотони изведнъж бъдат изпуснати в лъча. Ключът към разбирането на процеса е, че при определени вещества, когато тази лавина от фотони се стовари, всичките фотони вибрират в унисон, т.е. те са кохерентни.

(Представете си редица от плочки на домино. Плочките в своето най-ниско енергийно състояние лежат по гръб на масата. Плочките във високоенергийно състояние са изправени вертикално подобно на напомпаните атоми в междинната среда. Ако бутнете една плочка, можете да предизвикате внезапен колапс на цялата тази енергия незабавно, точно както става в лазерен лъч.)

Само определени материали ще „лазират“, т.е. само в специални материали, когато един фотон удари напомпан атом, ще бъде излъчен фотон, който е кохерентен с първоначалния фотон. В резултат на тази кохерентност в пороя от фотони всички фотони вибрират в унисон, генерирайки тънък като молив лазерен лъч. (Противоположно на мита, лазерният лъч не остава завинаги тънък като молив. Лазерен лъч, изстрелян към Луната например, постепенно ще се разширява, докато създаде петно с диаметър от няколко мили.)

Един обикновен газов лазер се състои от тръба с газовете хелий и неон. Когато през тръбата бъде пуснат електрически ток, атомите се захранват с енергия. След това, ако цялата енергия бъде излъчена изведнъж, се генерира лъч от кохерентна светлина. Лъчът бива уголемен с използването на две огледала, като на всеки от двата края е поставено едно от тях, така че лъчът отскача назад-напред помежду им. Едното огледало е напълно непрозрачно, но другото позволява на съвсем малко количество светлина да избяга при всяко преминаване, генерирайки по този начин лъч, който изскача от единия край.

Днес лазери се срещат почти навсякъде, като се започне от касите в бакалиите и се стигне до фиброоптичните кабели, пренасящи сигнала на интернет, до лазерните принтери и сидиплейърите, до модерните компютри. Те се използват също и в очната хирургия, за премахване на татуировки и дори в козметичните салони. През 2004 г. по целия свят са били продадени лазери на стойност повече от 5,4 милиарда долара.

Типове лазери и ядрен синтез

Почти всеки ден биват изобретявани нови лазери, тъй като се откриват нови материали, които могат да лазират, и се изобретяват нови начини за напомпване на енергия в междинната среда.

Въпросът е дали някои от тези технологии са подходящи за конструирането на лъчево оръжие или светлинен меч. Възможно ли е да бъде конструиран лазер, който да бъде достатъчно мощен, за да захрани с енергия една Звезда на смъртта? Днес съществува объркващо разнообразие от лазери, които зависят от материала, който лазира, и от енергията, която бива инжектирана в материала (електричество, интензивни лъчи светлина, дори химични експлозии). Към тях спадат:

— Газовите лазери. Тези лазери включват хелио-неоновите лазери, които са много разпространени и които генерират известния червен лъч. Те се захранват с енергия от радиовълни или електрически ток. Хелио-неоновите лазери са много слаби. Но въглеродно-диоксидните газови лазери могат да се използват за взривяване, рязане и заваряване в тежката индустрия, защото генерират лъчи с огромна мощност, които са напълно невидими.

— Химичните лазери. Тези мощни лазери се захранват с енергия от химична реакция като изгарянето на струя от етилен и азотен трифлуорид, или NF₃. Такива лазери са достатъчно мощни, за да се използват за военно приложение. Химични лазери се използват в американските военновъздушни и наземни установки, които могат да произведат милиони ватове енергия и имат предназначението да свалят ракети с малък обхват по време на полет.

— Ексимерни лазери. Тези лазери също се захранват от химични реакции, които често включват някакъв инертен газ (аргон, криптон или ксенон), както и флуор или хлор. Те генерират ултравиолетова светлина и могат да се използват за гравирането на миниатюрни транзистори върху чипове в полупроводниковата индустрия или за лазерна очна хирургия.

— Твърдотелни лазери. Първият действащ лазер, създаван някога, се състои от хромосапфирен рубинов кристал. Голямо множество най-различни кристали подпомагат един лазерен лъч заедно с итрий, холмий, тулий и други химикали. Те могат да генерират високоенергийни ултракъси импулси лазерна светлина.

— Полупроводникови лазери. Диоди, които обикновено се използват в полупроводниковата индустрия, могат да генерират интензивни лъчи, използвани при индустриалното рязане и заваряване. Те се срещат често в касите на бакалиите, където четат баркодовете на вашите покупки.

— Багрилни лазери. Тези лазери използват органични бои като междинна среда. Те са изключително полезни от гледна точка на генерирането на ултракъси импулси светлина, които често продължават да съществуват само трилиони части от секундата.

Лазери и лъчеви оръдия?

Като се имат предвид огромното разнообразие от лазери с търговско приложение и мощността на военните лазери, защо не притежаваме лъчеви оръжия, които да бъдат достъпни за употреба в бой и на бойното поле? Един или друг вид лъчеви оръжия, изглежда, са стандартното въоръжение в научнофантастичните филми. Защо не се работи за тяхното създаване?

Простият отговор гласи: поради липсата на преносим енергиен пакет. Човек би се нуждаел от миниатюрни енергийни пакети, които съдържат енергията на огромна електростанция, но са достатъчно малки, за да прилегнат на вашата длан. Понастоящем единственият начин да бъде впрегната на работа една голяма електростанция за търговски цели е да бъде изградена такава. В момента най-малкото преносимо военно устройство, което може да съдържа огромни количества енергия, е една миниатюрна водородна бомба, която би могла да унищожи и вас заедно с целта.

Съществува и втори, съпътстващ проблем — стабилността на лазиращия материал. Теоретично няма ограничение на енергията, която човек може да концентрира в един лазер. Проблемът се състои в това, че лазиращият материал в едно ръчно лъчево оръжие не би бил стабилен. Кристалните лазери например ще се нагорещят прекалено много и ще се строшат, ако в тях бъде напомпана прекалено много енергия. От това следва, че за да създаде изключително мощен лазер от вида, който би могъл да изпари един обект или да неутрализира противник, на човек би могло да му се наложи да използва енергията от една експлозия. В този случай стабилността на лазиращия материал не е такова ограничение, тъй като подобен лазер ще се използва само веднъж.

Заради проблемите при създаването на преносим енергиен пакет и стабилен лазиращ материал конструирането на ръчно лъчево оръжие не е осъществимо с помощта на днешните технологии. Лъчевите оръжия са възможни, но само ако са свързани с кабел към енергиен източник. Или може би с помощта на нанотехнологията бихме могли да създадем миниатюрни батерии, които да съхраняват или генерират достатъчно енергия, за да създадат силните избухвания на енергия, от които ще се нуждае едно ръчно устройство. Понастоящем, както видяхме, нанотехнологията е твърде примитивна. На атомно равнище учените успяха да създадат атомни устройства, които са изкусно направени, но са непрактични — става дума за атомното сметало и атомната китара. Но можем да си представим, че в края на този век или в следващия нанотехнологията може да бъде в състояние да ни даде миниатюрни батерии, които могат да съхраняват такива приказни количества от енергия.

Светлинните мечове страдат от подобен проблем. Когато филмът „Междузвездни войни“ излезе по екраните през 70-те години на XX в. и светлинните мечове станаха отлично продаваща се играчка за деца, много критици изтъкваха, че подобно устройство никога не би могло да бъде направено. Първо, невъзможно е да се втвърди светлината. Светлината винаги се движи със скоростта на светлината и не може да бъде втвърдена. Второ, светлинните лъчи не завършват някъде посред въздуха като светлинните мечове, използвани в „Междузвездни войни“. Светлинните лъчи продължават да се движат вечно. Острието на един истински светлинен меч би стигало до небето.

В действителност има начин да се конструира някакъв вид светлинен меч, използващ плазма или свръхнагорещен йонизиран газ. Плазмата може да бъде нагорещена достатъчно, за да свети в мрака и също така да разрязва стомана. Един плазмен светлинен меч би представлявал тънка куха пръчка, която се изхлузва от дръжката като телескоп. Вътре в тази тръба се отделя гореща плазма, която след това изскача през малки дупки, поставени на еднакви разстояния по пръчката. Докато плазмата изтича от дръжката и минава през дупките, тя ще създаде дълга светеща тръба от свръхнагорещен газ, който е достатъчен за стопяването на стомана. Това устройство се нарича още плазмен факел.

Така че е възможно да бъде създадено високоенергийно устройство, което прилича на светлинен меч. Но както в случая с лъчевите оръжия, ще ви се наложи да създадете високоенергиен преносим пакет. Или пък ще са ви необходими дълги кабели, които да свързват светлинния лъч с източник на енергия, или пък ще трябва да създадете, посредством нанотехнология, съвсем малък енергиен източник, който би могъл да предава огромни количества от енергия.

Затова, макар и да е възможно създаването на лъчеви оръжия и светлинни мечове в някаква форма днес, ръчните оръжия, срещани в научнофантастичните филми, са отвъд възможностите на днешните технологии. Но в края на този век или през следващия с помощта на нови разработки в областта на материалната наука, а също и на нанотехнологиите, някаква форма на лъчево оръжие би могла да бъде разработена, което прави от нея технология, спадаща към Клас I на невъзможните неща.

Енергията, необходима на една Звезда на смъртта

За да създаде лазерно оръдие от типа Звезда на смъртта, което може да унищожи цяла планета и да тероризира една галактика, такова оръдие, каквото е представено в „Междузвездни войни“, човек би трябвало да създаде най-мощния лазер, който можем да си представим изобщо. В момента някои от най-мощните лазери на Земята се използват, за да достигат температури, които се срещат само в центъра на звездите. Във формата на ядрено-синтезните реактори те биха могли един ден да впрегнат на работа енергийната мощ на звездите тук, на Земята.

Ядрено-синтезните машини се опитват да имитират това, което става в открития космос по време на образуването на звезда. Една звезда започва съществуването си като огромно кълбо от безформен водород, докато притеглянето сгъсти газа и по този начин го нагорещи. Накрая температурите достигат астрономически равнища. Дълбоко вътре в ядрото на една звезда например температурите могат да се покачват, варирайки между 50 милиона и 100 милиона градуса по Целзий, а това е достатъчно горещо, за да накара водородните ядра да се блъскат едно в друго, създавайки хелиеви ядра и избухване на енергия. Синтезът на водорода в хелий, посредством който малко количество от масата се преобразува в експлозивната енергия на една звезда чрез знаменитото уравнение на Айнщайн E=mc², е енергийният източник на звездите.

Има два начина, по които учените понастоящем се опитват да впрегнат на работа ядрения синтез тук, на Земята. И двата обаче се оказват много по-трудни за разработване; отколкото се очаква.

Инерциално ограничаване на ядрения синтез

Първият метод се нарича „инерциално ограничаване“. Той използва най-мощните лазери на Земята, за да създадат парче от Слънцето в лабораторни условия. Един неодимиев стъклен твърдотелен лазер е напълно способен да удвои набъбващите температури, които се срещат само в ядрото на една звезда. Тези лазерни системи имат размера на голяма фабрика и съдържат батарея от лазери, които изстрелват серия от успоредни лазерни лъчи по дълъг тунел. Високоенергийните лазерни лъчи след това се удрят в серия от малки огледала, подредени около сфера. Огледалата фокусират лазерните лъчи по еднакъв начин върху съвсем малко, богато на водород топче (направено от вещества като литиевия деутерид — активното вещество в една водородна бомба). Топчето обикновено е голямо колкото главата на топлийка и тежи само 10 милиграма.

Взривът на лазерната светлина изпепелява повърхността на топчето, принуждавайки я да се изпари и да сгъсти топчето. Докато топчето се сплесква, бива създадена шокова вълна, която достига ядрото на топчето и довежда до покачване на температурите с милиони градуси, което е достатъчно за преобразуването на водородните ядра в хелий чрез ядрен синтез. Температурите и наляганията са толкова астрономически, че бива спазен „критерият на Лосън“ — същият критерий, който се спазва във водородните бомби и в ядрото на звездите. (Критерият на Лосън гласи, че трябва да се поддържа специфична гама от температури, плътност и време на ограничаване, за да се отприщи процесът на ядрен синтез в една водородна бомба, в звезда или в ядрено-синтезна машина.)

По време на инерциалния ограничителен процес се отделят огромни количества енергия, включително неутрони. (Литиевият деутерид може да достига температури от 100 милиона градуса по Целзий и плътност, която е двадесет пъти по-голяма от тази на графита.) След това от топчето избухват неутрони, които се удрят в сферичния горен пласт, образуван от материала, обграждащ камерата, и този слой се нагорещява. После нагорещеният горен пласт нагорещява водата и парата може да се използва за захранване на турбина и за производство на електричество.

Проблемът обаче се крие във възможността за равномерно фокусиране на подобна интензивна енергия върху едно съвсем малко сферично топче. Първият сериозен опит за създаването на лазерен ядрен синтез бил лазерът „Шива“ — двадесетлъчева лазерна система, изградена в Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ (LLNL) в Калифорния, която започнала работа през 1978 година. (Шива е индийски многорък бог и богиня, имитиран при конструирането на лазерната система.) Действието на лазерната система „Шива“ било разочароващо, но се оказало достатъчно, за да докаже, че лазерният ядрен синтез е осъществим в техническо отношение. След това лазерната система „Шива“ е заменена от лазера „Нова“, чиято енергия била десет пъти по-голяма от тази на „Шива“. Но лазерът „Нова“ също не успял да осъществи правилно запалване на топчето. Независимо от това той прокарал пътя за сегашните изследвания в Националното запалително съоръжение (NIF), чието изграждане започнало през 1997 г. в LLNL.

NIF е чудовищна машина, която се състои от батарея от 192 лазерни лъча с огромната мощност от 700 трилиона вата енергия (мощността на около 700 000 големи термоядрени инсталации, концентрирана в едно-единствено избухване на енергия.) Това е лазерна система, последна дума на техниката, чието предназначение е да постигне пълното запалване на богати на водород топчета. (Критиците са изтъквали нейното очевидно предназначение за военни цели, тъй като тя може да симулира детонацията на водородна бомба и да направи възможно създаването на ново ядрено оръжие — чиста ядрено-синтезна бомба, която не се нуждае от уранова или плутониева атомна бомба за стартиране на процеса на ядрен синтез.)

Но дори лазерната ядрено-синтезна машина NIF от най-мощните лазери на Земята не може да се приближи до опустошителната мощ на Звездата на смъртта от „Междузвездни войни“. За да конструираме подобно устройство, трябва да се насочим към други източници на енергия.

Магнитно ограничаване на ядрения синтез

Вторият метод, който учените потенциално биха могли да използват, за да захранят с енергия една Звезда на смъртта, се нарича „магнитно ограничаване“ — процес, по време на който гореща плазма от водороден газ се побира в рамките на едно магнитно поле. На практика този метод би могъл наистина да осигури прототипа на първите ядрено-синтезни реактори с търговско приложение. Понастоящем най-напредналият ядрено-синтезен проект от този тип е Международният термоядрен експериментален реактор (ITER). През 2006 г. коалиция от нации (която включваше Европейския съюз, Съединените щати, Китай, Япония, Корея, Русия и Индия) реши да изгради ITER в Кадараш, Южна Франция. Той е проектиран да нагорещява водородния газ до 100 милиона градуса по Целзий. Би могъл да стане първият ядрено-синтезен реактор в историята, който генерира повече енергия, отколкото консумира. Проектиран е да генерира 500 мегавата енергия за 500 секунди (сегашният рекорд е 16 мегавата за 1 секунда). ITER трябва да генерира своята първа плазма до 2016 г. и ще влезе напълно в действие през 2022 година. С цена 12 милиарда долара, той е третият по големина най-скъп научен проект в историята (след „Проекта Манхатън“ и Международната космическа станция).

ITER прилича на голяма поничка, като водородният газ циркулира вътре и огромни намотки от жица се извиват по повърхността. Намотките се охлаждат, докато станат суперпроводящи, и след това в тях се напомпва огромно количество енергия, създавайки магнитно поле, което ограничава плазмата вътре в поничката. Когато в поничката бъде пуснат електрически ток, газът се нагорещява до звездни температури.

Причината, поради която учените се вълнуват толкова от ITER, е перспективата да бъде създаден евтин енергиен източник. Горивото, доставяно за ядрено-синтезните реактори, е обикновена морска вода, която е богата на водород. Поне на хартия, ядреният синтез може да ни снабди с неизчерпаема евтина енергия.

В такъв случай защо не притежаваме още сега ядрено-синтезни реактори? Защо са били нужни толкова десетилетия за постигането на напредък, след като процесът на ядрен синтез е бил очертан още през 50-те години на XX век? Проблемът се е състоял в дяволски трудното компресиране на водородното гориво по еднакъв начин. В звездите гравитацията компресира водородния газ във формата на съвършена сфера, затова газът се нагорещява равномерно и чисто.

В лазерния ядрен синтез, осъществяван в NIF, концентричните лъчи на лазерната светлина, които изпепеляват повърхността на топчето, трябва да бъдат съвсем еднакви, но е изключително трудно да бъде постигната подобна еднаквост. В магнитно-ограничителните машини магнитните полета притежават и северни, и южни полюси. В резултат на това равномерното компресиране на газа във формата на сфера е изключително трудно. Максималното, на което сме способни, е да създадем магнитно поле с формата на поничка. Но компресирането на газа е подобно на стискането на балон. Всеки път когато стиснете балона в единия край, въздухът предизвиква издуване някъде другаде. Равномерното стискане на балона, което протича едновременно във всички посоки, е голямо предизвикателство. Обикновено горещият газ изтича от магнитната бутилка, като накрая влиза в досег със стените на реактора и процесът на ядрен синтез се прекратява. Ето защо се оказва толкова трудно да бъде притискан водородният газ за повече от около една секунда.

За разлика от сегашното поколение ядрено-синтезни термоядрени енергийни инсталации един ядрено-синтезен реактор няма да създава големи количества ядрени отпадъци. (Всяка традиционна инсталация, в която протича деление на атома, произвежда годишно 50 т ядрени отпадъци на изключително високо равнище. За разлика от тях ядрените отпадъци, създавани от машина, в която се осъществява ядрен синтез, ще се състоят предимно от радиоактивна стомана, която ще остане, когато реакторът прекрати окончателно работата си.)

Ядреният синтез няма да разреши напълно проблема, създаван от енергийната криза на Земята в близко бъдеще. Френският Нобелов лауреат по физика Пиер-Жил дьо Жен казва: „Намеренията са да пъхнем Слънцето в кутия. Идеята е хубава. Проблемът е, че не знаем как да направим кутията.“ Но ако всичко върви по план, изследователите се надяват, че в рамките на четиридесет години ITER може да проправи пътя за комерсиализацията на ядрено-синтезната енергия, която може да осигури електричество за нашите домове. Един ден ядрено-синтезните реактори ще облекчат нашия енергиен проблем, като отделят по безопасен начин енергията на слънцето тук, на Земята.

Но дори магнитно-ограничителните ядрено-синтезни реактори не биха осигурили достатъчно енергия за захранването на оръжие от типа Звезда на смъртта. За тази цел ще имаме нужда от съвсем нова конструкция.

Задвижвани от ядрена енергия рентгенови лазери

Има още една възможност за симулиране на лазерно оръдие от типа Звезда на смъртта с помощта на известна днес технология и това е възможността, която може да се реализира с помощта на водородна бомба. Батарея от рентгенови лазери, които овладяват и фокусират енергията на термоядрени оръжия, би могла на теория да генерира достатъчно енергия, за да задвижи устройство, което да изпепели цяла планета.

Ядрената сила, скрита в обект с малко тегло, води до отделянето на около 100 милиона пъти повече енергия от една химична реакция. Парче обогатен уран, което е не по-голямо от бейзболна топка, е достатъчно за изпепеляването на цял град, като е достатъчно дори само 1 процент от масата му да бъде превърнат в енергия. Както посочихме, има много начини за инжектирането на енергия в лазерен лъч. Досега най-подходящият от всички тях е да бъде използвана силата, отприщена от атомна бомба.

Рентгеновите лазери притежават огромен научен и военен потенциал. Заради своята много къса вълнова дължина те могат да се използват, за да се изследват атомни разстояния и да се дешифрира атомната структура на сложни молекули — постижение, което е изключително трудно реализуемо с помощта на досегашните методи. Пред вас се разкрива цял нов изглед към химичните реакции, при който ще можете да „видите“ самите атоми, докато се движат и се подреждат правилно вътре в една молекула.

Тъй като една водородна бомба излъчва огромно количество енергия в рентгеновия обхват, рентгеновите лазери могат също да се захранват с енергия от термоядрени оръжия. Човекът, който е свързан най-тясно с рентгеновия лазер, е физикът Едуард Телър — бащата на водородната бомба.

Телър обаче бил физикът, който свидетелствал пред Конгреса през 50-те години на XX в., че на Робърт Опенхаймер, който оглавявал „Проекта Манхатън“, не може да се окаже доверието да работи върху водородната бомба заради политическите му убеждения. Свидетелските показания на Телър довели до изпадането в немилост на Опенхаймер и до отнемането на разрешителното му за работа в обект, свързан с националната сигурност. Мнозина видни физици никога не простили на Телър това, което сторил.

(Собствените ми контакти с Телър датират от времето, когато бях в гимназията. Проведох серия от експерименти върху естеството на антиматерията и спечелих голямата награда на научното изложение в Сан Франциско, както и пътуване до Националното научно изложение в Албъкърки, Ню Мексико. По местната телевизия ме показаха заедно с Телър, който се интересуваше от талантливи млади физици. Накрая ме наградиха със стипендията за инженерство „Херц“, която изплати моето колежанско образование в Харвард. Опознах много добре семейството на Телър благодарение на поканите да посетя дома му в Бъркли по няколко пъти годишно.)

По същество рентгеновият лазер на Телър представлява малка атомна бомба, обградена от медни пръти. Детонирането на ядреното оръжие отприщва сферична шокова вълна от интензивни рентгенови лъчи. След това тези енергийни лъчи минават през медните пръти, които действат като лазиращ материал, като фокусират енергията на рентгеновите лъчи в интензивни снопове. Впоследствие тези снопове от рентгенови лъчи биха могли да бъдат насочени срещу вражеските бойни глави. Разбира се, подобно устройство би могло да бъде използвано само веднъж, тъй като термоядрената детонация кара рентгеновия лазер да се самоунищожи.

Първоначалният тест на задвижван с ядрена енергия рентгенов лазер бил наречен „тестът Кабра“ и е проведен през 1985 г. в една подземна шахта. Била детонирана водородна бомба, чийто порой от некохерентни рентгенови лъчи след това бил фокусиран в кохерентен рентгенов лазерен сноп. Първоначално тестът бил сметнат за успешен и на практика през 1985 г. вдъхновил президента Роналд Рейгън да обяви намерението си да изгради отбранителния щит „Звездни войни“. Така било приведено в действие едно многомилиардно усилие за изграждането на серия устройства като задвижвания с ядрена енергия рентгенов лазер, който да сваля вражеските междуконтинентални балистични ракети. (По-късно разследването показало, че детекторът, използван за извършване на измерванията по време на „теста Кабра“, е бил унищожен. От това следва, че не може да се вярва на показанията му.)

Може ли подобно противоречиво устройство да бъде използвано на практика днес за свалянето на бойните глави на междуконтинентални балистични ракети? Може би. Но един враг би могъл да използва по-прости и евтини методи за неутрализирането на такива оръжия (например да пусне примамки, които да заблудят радара да завърти бойните си глави така, че да разпръсват рентгеновите лъчи, или да използва химична обвивка за защита от рентгеновия сноп.) Или пък просто да произведе серийно бойни глави, които да проникнат през отбранителния щит „Звездни войни“.

Затова един задвижван от ядрена енергия рентгенов лазер е непрактичен днес в качеството си на ракетна защитна система. Възможно ли е изобщо създаването на Звезда на смъртта, която да бъде използвана срещу наближаващ астероид или за унищожаването на цяла планета?

Физиката на една Звезда на смъртта

Могат ли да бъдат създадени оръжия, които са в състояние да унищожат цяла планета, както става в „Междузвездни войни“? На теория отговорът е положителен. Има няколко начина, по които те биха могли да бъдат създадени.

Първо, няма физическо ограничение на енергията, която се отделя от една водородна бомба. Ето как работи тя. (Точното описание на конструкцията на водородната бомба е свръхсекретно, но главните характеристики са добре известни.) Създаването на водородната бомба протича на много етапи. Чрез правилно подреждане на тези етапи в серия човек би могъл да произведе атомна бомба с почти произволна големина.

Първият етап е стандартна бомба, в която се осъществява деление на атома с използването на енергия от уран–235 за предизвикване на избухване на рентгенови лъчи, както е станало в бомбата, пусната над Хирошима. За частица от секундата, преди взривът на атомната бомба да унищожи всичко наоколо, разширяващата се сфера от рентгенови лъчи изпреварва взрива (тъй като се движи със скоростта на светлината) и се фокусира върху контейнера с литиев деутерид — активното вещество в една водородна бомба. (Все още е засекретено точно как става това.) Рентгеновите лъчи, които се удрят в литиевия деутерид, го карат да се сплеска и да се нагорещи до милиони градуси, предизвиквайки втора експлозия, която е много по-силна от първата. Избухването на рентгенови лъчи от тази водородна бомба след това може да се фокусира върху второ парче от литиев деутерид, което лежи до първото, и да се получи водородна бомба с невъобразима мощност. На практика най-голямата водородна бомба, създавана някога, е една двуетапна бомба, детонирана от Съветския съюз през 1961 г., в която е била натъпкана енергията на 50 милиона тона тротил, въпреки че теоретично тя била способна на взрив с мощност над 100 милиона тона тротил (или другояче казано, имала е мощност около пет хиляди пъти по-голяма от тази на бомбата, пусната над Хирошима).

Изпепеляването на цяла планета обаче е способност от съвсем различна величина. За да постигне това, Звездата на смъртта би трябвало да изстреля хиляди такива рентгенови лазери в Космоса, които на свой ред да стрелят едновременно. (За сравнение нека си спомним, че в разгара на Студената война Съединените щати и Съветският съюз натрупаха по около тридесет хиляди атомни бомби.) Общата енергия от такъв огромен брой рентгенови лазери би била достатъчна за изпепеляването на повърхността на която и да е планета. Така че е напълно възможно Галактическа империя, отстояща от нас на стотици хиляди години в бъдещето, да създаде подобно оръжие.

Пред една много напреднала цивилизация се разкрива и втора възможност: да създаде Звезда на смъртта, като използва енергията на един излъчвател на гама-лъчи. Подобна Звезда на смъртта би предизвикала избухване на радиация, което отстъпва по мощност само на Големия взрив. Излъчвателите на гама-лъчи се срещат в естествени условия в открития космос, но една напреднала цивилизация би могла да овладее тяхната огромна мощ. Чрез контролирането на въртенето на една звезда много преди тя да претърпи колапс и да предизвика образуването на свръхнова човек би могъл да насочи излъчвателя на гама-лъчи към всяка точка в Космоса.

Излъчватели на гама-лъчи

Излъчвателите на гама-лъчи били забелязани за първи път през 70-те години на XX в., когато американските военни изстреляли спътника „Вела“, за да откриват „святкания от атомни бомби“ (доказателство за неразрешено детониране на атомни бомби). Но вместо да забележи такива „святкания“, спътникът „Вела“ открил следи от огромни избухвания на радиация в Космоса. Първоначално откритието предизвикало паника в Пентагона дали Съветите не са тествали ново ядрено оръжие в открития космос. По-късно било установено, че тези избухвания на радиация идват еднакво от всички посоки на небето, което означава, че те в действителност произхождат от точка, разположена извън Млечния път. Но ако произходът им е бил извън Галактиката, то те трябвало да отделят наистина астрономически количества от енергия, достатъчни за осветяването на цялата видима вселена.

Когато Съветският съюз се разпадна през 1990 г., огромно количество астрономически данни изведнъж бяха декласифицирани от Пентагона. Те изумиха астрономите, които осъзнаха, че са се натъкнали на ново мистериозно явление, което ще наложи пренаписването на учебниците по различните науки.

Тъй като излъчвателите на гама-лъчи продължават да съществуват в рамките на няколко секунди или минути, преди да изчезнат, за тяхното разпознаване и анализиране е необходима сложна система от сензори. Първо, спътници откриват първоначалното избухване на радиация и изпращат точните координати на излъчвателя на Земята. След това координатите биват препредадени на оптични или радиотелескопи, които се опитват да установят точното местонахождение на излъчвателя на гама-лъчи.

Въпреки че много подробности тепърва трябва да бъдат изяснени, според една теория за произхода на излъчвателите на гама-лъчи те са „свръхнови“ с огромна мощ, които оставят масивни черни дупки подире си. Изглежда, излъчвателите на гама-лъчи са чудовищни черни дупки в процес на образуване.

Но черните дупки излъчват две „струи“ от радиация, една от северния полюс и една от южния полюс, подобно на въртящ се връх. Забелязаната радиация от един далечен излъчвател на гама-лъчи очевидно е една от струите, която е привлечена към Земята. Ако струята от един излъчвател на гама-лъчи бъде насочена към Земята, а той се намира в околностите на нашата галактика (на няколкостотин светлинни години от Земята), то нейната мощ ще бъде достатъчна за унищожаването на всички живи същества на планетата.

Първоначално рентгеновият импулс на излъчвателя на гама-лъчи ще създаде електромагнитен импулс, който ще унищожи цялото електронно оборудване на Земята. Неговият интензивен сноп от рентгенови и гама-лъчи ще бъде достатъчен за увреждането на атмосферата на Земята, което ще унищожи защитния озонов слой. След това струята от излъчвателя на гама-лъчи ще повиши температурите на повърхността на Земята, като накрая ще предизвика чудовищни огнени бури, които ще погълнат цялата планета. Излъчвателят на гама-лъчи може да не предизвика действително експлозията на цялата планета, както става във филма „Междузвездни войни“, но със сигурност ще унищожи всичко живо, като остави след себе си една обгорена и оголена планета.

Можем да си представим, че цивилизация, която ни е изпреварила в развитието си със стотици хиляди или милиони години, би могла да бъде в състояние да насочи такава черна дупка към дадена цел. Това би могло да се направи чрез отклоняването на пътя на планети и на неутронни звезди към умиращата звезда под определен ъгъл точно преди тя да изпадне в колапс. Отклонението ще бъде достатъчно за промяна на оста на въртене на звездата, така че тя да може да бъде насочена в определена посока. По този начин една умираща звезда би могла да се превърне в най-голямото възможно лъчево оръжие.

В резюме, употребата на мощни лазери за създаването на преносими или ръчни лъчеви оръжия и светлинни мечове може да се класифицира като спадаща към Клас I на невъзможните неща — нещо, което е възможно в близко бъдеще или може би в рамките на век. Но изключителното предизвикателство да бъде насочена една въртяща се звезда, преди да избухне и да се превърне в черна дупка, и да бъде преобразувана в Звезда на смъртта спада към Клас II на невъзможните неща — нещо, което очевидно не нарушава законите на физиката (такива излъчватели на гама-лъчи съществуват), но би могло да стане възможно чак след няколко хиляди или милиони години.