Аннотация: Альтернативные мысли о природе турболазеров и бластерного оружия Вселенной "Звёздных Войн".
Вступление.
"Безвозвратно ушли времена, когда воображение обывателя можно было поразить мощностью моторов и высотой напряжения. Изголодавшееся по энергии человечество уже наелось, как тот нищий на фуршете. Теперь нас не впечатляет сила и масса. Мы знаем, что самый мощный компьютер - не тот, что больше размером. А самый сильный и самый умный человек - не тот, кто больше съедает на завтрак. Но в наших фантазиях развитая цивилизация - это всё-таки та, что захавала целую звезду. Если герою Ефремова для связи с дальней галактикой пришлось задействовать на пару минут все электростанции Земли, то современному школьнику, способному позвонить на другой конец земного шара лишь силой батарейки своего мобильника, идея покажется бредовой. Уже сейчас понятно, что мощь всех новых технологий не в тупой механической силе, а в чём-то ином. Но если самая новая величина измерения - байт, а названий грядущих физических величин мы и подавно не знаем, то разве это повод измерять богатство и силу людей будущего таким старьём, как килограмм и киловатт? А крутизну звездолёта - в миллиардах лошадиных сил?"
(с) Леонид Каганов, "Обезьяна из Прекрасного Далёка".
Когда я читаю рассуждения Кёртиса Сакстона о минимальной энергетике турболазерного огня, мне представляется средневековый монах, который читает описание бомбардировки Хиросимы, и ужасается: это ж каких размеров ядро нужно, чтоб такие разрушения причинить! А из какой пушки его запускать - небось с гору размером! А сколько пороху на такой выстрел уйдёт - мануфактуры годами должны работать!
Авторы сайта stardestroyer.net, несомненно, грамотные физики и очень скрупулёзные исследователи, но очень слабые изобретатели и футурологи. Они решают проблему любого масштаба простым количественным увеличением уже существующих методов. Вернее, полагают, что её так решили в Далёкой-Далёкой Галактике. Тогда как история показывает - увеличением размеров качественного скачка не добьёшься. Эволюция, как животных, так и технических изобретений, требует принципиально новых подходов для достижения нового уровня.
Авторы охотно признают, что турболазер НЕ является лазером в известном нам смысле. Однако они почему-то уверены, что метод воздействия этого неизвестного оружия на цель - самый примитивный, "лазерный" - передача тепловой энергии, пока объект не испарится. Мы сейчас не будем говорить о том, что это крайне нерациональная трата энергии. Не будем говорить, что её просто негде взять в таких количествах - в конце концов, современная физика ещё не открыла "гиперматерии", так что предел её энергоёмкости неизвестен. Просто рассмотрим повнимательнее кадры из фильма (которые признаны основным и нерушимым каноном), и спросим себя - действительно ли турболазер (и бластер) действует на цель, как тепловой импульс?
Уровень 1: ручные бластеры.
Размер деревьев сложно определить. Однако мы предположим, что самый большой ствол 15 см в диаметре (6 дюймов), разрушенная часть - 1/2 метра в высоту, и средняя "сила ствола" - 2 МДж. Время повреждения - приблизительно 1/15 секунды, так что средняя мощность луча - 30 МВт. Это сравнимо с фунтом динамита, небольшим артиллерийским снарядом или одновременным выстрелом 506 охотничьих ружей (патрон калибра 30*06, 180 дробинок). Эти расчеты основаны на нескольких предположениях, но показывают энергию достаточно справедливо.
В IV Эпизоде Хан обстреливает из бластера группу штурмовиков. Во время перестрелки его бластер повреждает стену ангара. Материал, который используется, неизвестен, так что не может служить основой для вычислений мощности оружия. Тем не менее, поскольку космический корабль приземляется и стартует отсюда, материал должен быть очень устойчивым к тепловому воздействию. В этой сцене он разогревается до красного свечения и взрывается.
На первый взгляд - всё логично. Однако интересно, почему авторы данной статьи не задали себе вопрос - что произойдёт с человеческим телом, если в него попадёт энергетический импульс, достаточный для испарения металла? Или несколько меньший импульс, равный небольшому снаряду, фунту динамита, одновременному выстрелу 506 ружей... Подробности расписывать не будем, но можно предположить, что картинка будет очень и очень неаппетитная.
Однако люди, в которых попали из бластера, отнюдь не размазываются по окружающим предметам тонким слоем кровавого фарша. Они падают, внешне практически неповреждённые; на полу, стенах и одежде нет никаких следов крови. И если при стрельбе в полностью закованного имперского штурмовика это ещё как-то можно объяснить (броня поглотила часть энергии и скрыла кровь), то стрельба Хана в родианского наёмника Гридо в кантине, стрельба имперцев по солдатам Альянса, не имеющим сплошной брони - должны были продемонстрировать настоящее мясное шоу.
Некоторые предполагают, что бластеры могут иметь регулируемую мощность. Теоретически это, конечно, возможно, но, во-первых, нигде на их корпусе никаких регуляторов не наблюдается, а во-вторых, думаю, во время отчаянной перестрелки солдату будет не до настройки мощности.
Уровень 2: вооружение истребителей и шагоходов.
Рассмотрим битву на планете Хот. Напомню, это планета вечной зимы, покрытая снегом и льдом. Вопрос на засыпку - что произойдёт со всем этим снегом и льдом при массовом выделении тепловой энергии в 60 ГДж на выстрел (такую мощность имеют орудия истребителей по расчётам Майкла Вонга - возможно, спидеры повстанцев вооружены слабее, но вряд ли намного слабее, иначе их использование просто не имело бы смысла).
Вариант первый, мгновенный. AT-AT промахивается по повстанческой машине, выстрел бластера задевает лёд... Даже если не считать чудовищного взрыва при мгновенном испарении десятков кубометров воды, пространство вокруг мгновенно наполняется горячим паром, в котором ничего не видно, и невозможно дышать без скафандра.
Вариант второй, постепенный. Никто не попал в лёд, вся энергия потрачена на уничтожение врага, рассеяна или поглощена бронёй. Вспоминаем Первый закон термодинамики (нам ещё часто придётся его вспоминать в этом исследовании). Тепло никуда не девается! Оно в воздухе, в раскалённом металле... и всё это медленно растекается по ледяной равнине. И лёд начинает весьма резво таять. Огромные ноги имперских транспортов погружаются в воду... Если до каменного основания близко - получим симпатичное болото, если же далеко - не менее симпатичную морскую гладь.
Также показательны выстрелы истребителей друг по другу и по поверхности Звезды Смерти. Во втором случае мы имеем взрыв, который, по расчётам Майкла Вонга, испаряет не менее кубометра брони. 60 гигаджоулей - это чуть больше тринадцати тонн тротилового эквивалента. Аналогичная порция энергии должна была просто разорвать маленькую машину на куски, но повреждения истребителя примерно соответствуют самолёту, по которому прошлась очередь из авиапушки.
Уровень 3: турболазеры.
Звёздный Разрушитель стреляет в астероид, и тот почти мгновенно испаряется. C визуальной точки зрения - картинка безупречна. Свечение - белое, мгновенное угасание - охлаждение газа от расширения. Вроде бы всё соответствует тепловой вспышке. За исключением, может быть, формы взрыва, но этот пункт будет рассмотрен более подробно в следующем разделе.
Вопрос - что не так? Ответ - дистанция стрельбы.
Даже если бы эта предельная дистанция не была указана в The New Essential Guide to Weapons and Technology (оптимальная - 15 км, максимальная - 100 км), даже из самих кадров фильма можно было заключить, что предел дальности у турболазеров не только есть, но и весьма невелик. По космическим масштабам ничтожен - звездолёты практически должны вставать к борту борт, чтобы обмениваться залпами. Массовый обмен турболазерными импульсами на орбите Эндора никак не отразился на экологии планеты, хотя даже единственное случайное попадание должно было устроить бедным эвокам приличный "фейерверк".
Спрашивается - в Далёкой-Далёкой Галактике не действует закон сохранения энергии? Если вы выстрелили в пространство хотя бы 250 тераджоулей (энергия, необходимая для испарения астероида), то никуда они не денутся. Будут лететь вперёд, пока не встретят массу, способную их поглотить.
Разумеется, луч может рассеяться. Это происходит и с обычными, известными науке лазерами. Но у турболазеров уровень рассеяния должен быть просто чудовищным. Даже если допустить, что за сто километров диаметр луча возрастает от метра до одного километра (это рассеяние примерно в 10 раз на каждые 30 км дистанции) километровый луч всё ещё может "загружать" щиты крупного корабля, например ИЗР, не говоря уж о стрельбе по таким целям, как планета, Звезда Смерти, или хотя бы "Палач". Тем не менее, дальше ста километров турболазеры не стреляют принципиально, хотя это дало бы немалое тактическое преимущество в эскадренном бою.
Также возможно, что 100 километров - это предельная дистанция попадания по мишени. Луч турболазера (по крайней мере, его видимая часть) движется относительно медленно, и даже если стрелять на упреждение, цель успеет свернуть в сторону, заметив его приближение. Но это всё равно не объясняет невозможность стрельбы с большой дистанции по крупным и медленным целям. Таким, как СЗР или, тем более, планета.
И наконец, самое вкусное, самое фантастическое и невероятное:
Уровень 4: суперлазер.
Если исходить из цифры 2,4*10^38 как верхнего предела энергии, и принять официальную информацию, что Звезде Смерти требуется 1 день на перезарядку, Майкл Вонг посчитал, что выходная мощность в 3 миллиона раз превышает солнечную, а выделенная энергия за один выстрел сравнима с величиной, которую Солнце выдало на протяжении 7000 лет! Нет возможности создать такое количество энергии, используя термоядерный синтез или даже источники антиматерии. Оно равно уничтожению количества антиматерии, сравнимой с массой самой Звезды Смерти. Официальный сайт Звездных Войн утверждает, что "на Звезде Смерти реактор на "гиперматерии" (hypermatter). Это слово незнакомо современной науке, но именно оно отвечает за высокую мощность, производимую Звездой Смерти" - читаем мы на сайте Stardestroyer.net.
Оставим пока в стороне вопрос, откуда взялась такая масса-энергия, и действительно ли Звезда Смерти "худела" на миллиарды миллиардов тонн после каждого выстрела. Рассмотрим саму сцену взрыва. Обломки Алдераана разлетаются практически симметрично во все стороны, за исключением "огненного кольца" - которое, опять же, сохраняет симметрию, только плоскостную, а не сферическую.
Итак, если в планету ударяет луч, движущийся практически со скоростью света, и обладающий энергией 2,4*10^38 Дж - то куда, спрашивается, исчезает огромный кинетический импульс этого луча? Неважно, состоит он из частиц или квантов излучения - свет тоже обладает массой и может оказывать давление, как давно доказали опыты Лебедева.
Плазму, возникшую от такого удара, должно было попросту "выдуть" в противоположную от Звезды Смерти сторону. Облако, возникшее при подобном взрыве, должно было бы напоминать сильно вытянутый хвост кометы, а все астероиды-осколки - улететь в одном направлении. Но ничего подобного не наблюдается, луч не пробивает планету, а именно взрывает её изнутри.
Кроме того, никто не отменял и второй закон Ньютона. Если бы луч был "тяжёлым", то при выстреле он отбрасывал бы Звезду Смерти назад, являясь, по сути, реактивным двигателем с той же мощностью. Между тем, во время стрельбы станция висит неподвижно, и не включает двигателей для компенсации отдачи (хотя вряд ли её обычных двигателей хватило бы для полного погашения такого чудовищного толчка).
Следовательно, кинетическая энергия луча крайне невелика в сравнении с его разрушительным действием. А поскольку скорость луча известна и неизменна, то это даёт нам крайне малую массу-энергию.
Второй аргумент за небольшую энергию луча - взрыв Звезды Смерти на орбите Явина. Напомним, что он произошёл за несколько секунд до предполагаемого выстрела по планете. То есть энергия (откуда бы она не взялась) уже текла к суперлазеру, уже присутствовала внутри станции. При взрыве станции она неминуемо должна была освободиться.
С астрономической точки зрения, 10^38 Дж - не такая большая энергия. Примерно столько излучается в пространство при вспышке Новой звезды, в сто тысяч раз меньше, чем выделяется при вспышке Сверхновой. Но вспышка Новой фатальна для всех планет её системы. Предположительно, с них сдувает атмосферу, биосфера почти мгновенно поджаривается, океаны вскипают... А Звезда Смерти находилась к Явину-4 гораздо ближе, чем Солнце к Земле, например. И мощность взрыва была гораздо больше - ведь энергия высвободилась за секунды, а не за сутки. Тем не менее, экосистема Явина-4 совершенно не пострадала.
Третий аргумент - для поклонников Расширенной Вселенной, вроде меня. Те, кто считают каноном лишь оригинальную трилогию, или все шесть фильмов, могут с чистой совестью пропустить этот момент.
Речь идёт о малых суперлазерах, установленных на линкорах типа "Владыка" и "Затмение", флагманах Возрождённого Императора. В технических справочниках упоминается, что осевые суперлазеры этих кораблей соответствовали по конструкции одному из восьми малых суперлазеров Звезды Смерти, но технические усовершенствования сделали их мощнее. Тем не менее, даже если допустить, что главное оружие "Затмения" давало лишь одну восьмую от мощности залпа ЗС, этого более чем достаточно для уничтожения планеты. Собственно говоря, хватило бы даже одной МИЛЛИОННОЙ доли той энергии (10^32 Дж), чтобы разнести планету на куски, которые никогда уже не соберутся вместе. Десятимиллионной доли достаточно, чтобы превратить её в каменное крошево, которое постепенно соберётся обратно, но мало будет напоминать изначальную планету. Тем не менее, суперлазер "Затмения" не мог причинить вреда планете, как физическому телу - только пробить кору и уничтожить биосферу.
Из всего вышесказанного следует, что имперцы, может быть, и предпочитали грубую силу в политике, но отнюдь не в физике. И как любой нормальный инженер, создатели турболазеров предпочитали искать не количественное, а качественное решение задачи. Можем ли мы найти такое качественное решение - за пределом возможностей современной техники, но хотя бы краем затрагивающее представления современной физики? Я нашёл минимум два таких решения.
Итак, требуется разработать фантастическое оружие, которое отвечает следующим параметрам:
1. Может испарить (в зависимости от размера) значительный объём корабельной структуры, или астероид, в считанные секунды разнести на куски землеподобную планету.
2. Убивает человека без существенных видимых повреждений.
3. Имеет жёстко ограниченный радиус действия.
4. При уменьшении мощности в 8 раз от "планетарной мгновенной", не может уничтожить планету.
5. Производит симметричный взрыв цели и не даёт существенной отдачи при выстреле.
6. При разрушении высвобождает энергию, намного меньшую, чем при исправном функционировании.
Вариант 1 - инициатор распада.
Энергию для разрушения любого объекта проще всего взять в самом объекте. Чем он массивнее - тем больше и высвобождаемая мощность, главное только её освободить. Как лучше всего освободить? Прямая аннигиляция по формуле E=mс^2 приходит на ум первой, но в этом случае вспышки были бы гораздо ярче, да и люди, возле которых произошёл взрыв, получали бы солидную дозу облучения. Здесь же от выстрелов высвобождается преимущественно тепловая и кинетическая энергия, плюс распад внутренней структуры цели, приводящий к переходу её в газообразное состояние.
Я предположил, что залп турболазера - это поток частиц, либо квантов излучения, нарушающих стабильность ядра атома и приводящий к трансформации его в другой химический элемент - с относительно небольшим выделением тепловой энергии (скорее всего, "тепловой коэффициент" растёт с увеличением калибра орудия, у суперлазера количество джоулей на грамм вещества максимально, у ручного бластера - минимально). Частицы являются нестабильными и короткоживущими. Вероятно, их воздействие на разные химические элементы существенно отличается - из-за различной структуры ядра. Допустим, что трансформируется только ядро железа (я не утверждаю, что именно оно, но можно рассмотреть, как пример).
1. Железо - важный компонент современных строительных материалов, и нет причин, почему оно не может быть столь же важным компонентом дюрастали и других строительных материалов Далёкой-Далёкой Галактики. Поэтому кусок стены бункера или обшивки Звезды Смерти испаряются в значительном объёме. Ещё лучше испаряется железный астероид. А у землеподобных планет, предположительно, есть железное ядро.
2. В теле человека железа достаточно мало - поэтому видимого взрыва при попадании не происходит. Но железо является важным компонентом гемоглобина, который делает работоспособными эритроциты в крови. Мгновенный распад значительной части эритроцитов вызывает быструю смерть.
3. Срок жизни частиц может составлять одну секунду (если видимая скорость движения заряда соответствует реальной) или меньше (если реальная скорость выше). После этого они могут распадаться, аннигилировать между собой, или иным способом терять способность взаимодействия с ядром атома.
4. Мощности осевого суперлазера хватает, чтобы пробить кору и часть мантии, но он не достаёт до ядра, поэтому основные массы железа в реакцию не вступают - и энергетический выход оказывается на несколько порядков ниже.
5. Собственная суммарная масса частиц ничтожна, энергия для взрыва образуется из неподвижной массы цели, и распространяется изнутри.
6. В первую секунду не все хаотично движущиеся частицы успевают войти в контакт с веществом Звезды Смерти (или другого разрушенного оружия) и вызвать его распад. А во вторую они уже не представляют опасности.
Вариант 2 - А-потенциальное оружие.
Сразу признаюсь, термин не мой. Он взят из межавторских циклов Дэвида Дрейка "Боевой флот" и "Боевая станция".
По сути, явление, называемое "виртуальными частицами" давно известно физикам. Это частица, которая на короткое время проявляется "из ничего" (точнее, из физического вакуума), и сразу же обратно в это "ничто" возвращаются, "возвращая кредит" закону сохранения энергии. Однако при определённых условиях виртуальная частица может стать реальной - если энергетический "кредит" был возвращён из другого источника. Кроме того, в определённых условиях (в сильных электромагнитных или гравитационных полях, например) вероятность рождения виртуальных частиц сильно возрастает, вакуум буквально "кипит" парами частица-античастица.
Итак, допустим, что бластер "одалживает" у вакуума огромную энергию, необходимую для выстрела. Поток частиц или квантов летит к цели, делает свою разрушительную работу, после чего исчезает бесследно. Правда, для виртуальных частиц луч турболазера слишком долго "живёт".
Появление любой виртуальной частицы нарушает закон сохранения энергии на некую величину, однако, такие нарушения допускаются квантовой механикой в течение интервалов времени, разрешённых соотношением неопределённостей . В течение данных интервалов времени эти нарушения принципиально ненаблюдаемы, как ненаблюдаемы и сами промежуточные частицы, называемые, поэтому, виртуальными. В момент исчезновения (поглощения) виртуальной частицы баланс энергий восстанавливается. (согласно закону Планка).
Однако если допустить, что технология и физика Далёкой-Далёкой Галактики позволяют тем или иным способом "заморозить" виртуальные частицы на несколько секунд, то почти все остальные странности турболазеров получают своё логическое объяснение:
1. Поскольку результирующая сумма равна нулю, то размер "кредита" роли не играет, и бластеру/турболазеру/суперлазеру нужен запас энергии только на один выстрел. Плюс неизбежные потери в процессе, обусловленные вторым началом термодинамики.
2. Здесь точных объяснений нет, но возможно, виртуальные частицы как-то взаимодействуют с Силой, которую вырабатывает любое существо Далёкой-Далёкой Галактики. Косвенным доказательством может служить то, что бластеры можно переключить в режим парализатора, и что в этом режиме луч как бы обтекает человеческое тело (вспомните эпизод с поимкой принцессы Леи имперскими штурмовиками на борту "Тантива-IV) - почти так же, как турболазерный импульс "растекается" по щитам звездолёта.
3. Как уже указано выше, исчезновение виртуальных частиц спустя определённое время - вполне понятное явление. Странно как раз то, что они преодолевают хотя бы эти километры.
4. Собственно говоря, мощность выходного луча в точке соединения не равна сумме восьми малых лучей. Она на несколько порядков выше этой суммы. Эта гипотеза может объяснить, зачем нужна фокусирующая "тарелка" суперлазера, а также почему он, собственно говоря, называется лазером, хотя к когерентному лучу света отношения не имеет. Подробности см. ниже.
5. Для виртуальной частицы не выполняется соотношение специальной теории относительности между полной энергией Е, импульсом и массой m: E^2 = p^2c^2 + m^2c^4. Так, виртуальный фотон может иметь нулевой импульс, т.е. покоиться, что исключено для наблюдаемого фотона.
6. Сразу после разрушения оружия виртуальные частицы исчезают, не успев покинуть район взрыва, или удалившись от него на сравнительно небольшое расстояние.
Итак, почему же суперлазер называется лазером? Вспомним, что аббревиатура LASER изначально расшифровывалась как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, "Усиление света с помощью вынужденного излучения". Слово Light - свет - вызывает определённые сомнения, но что касается усиления и вынужденного излучения - тут, как мы увидим, всё в порядке.
Внимательно посмотрев на процесс выстрела Звезды Смерти, можно заметить, что малые лучи не сливаются в центральный луч. Они некоторое время "текут" в пустоту, затем в центре пересечения разгорается пульсирующее НЕПОДВИЖНОЕ свечение, и только после этого из точки слияния ударяет гораздо более мощный центральный луч. При этом и скорость распространения центрального луча намного выше, чем у малых лучей.
В контексте виртуальных частиц система работает так.
Вначале "тарелка" суперлазера создаёт в фокусе зону возбуждённого вакуума, который является благоприятной зоной для рождения виртуальных частиц. Потом восемь малых лучей, пересекаясь в том же фокусе, "поджигают" активную зону, инициируя массовое рождение виртуальных частиц. По аналогии с обычным лазером, "тарелка" выступает в роли устройства накачки, а возбуждённый вакуум - в качестве рабочего тела. Малые лазеры, один из которых был установлен на "Затмении", соотносятся с ним по мощности так же, как детонатор от бомбы относится к самой бомбе.
Вариант с инициатором распада позволяет ответить на другой вопрос - почему взрыв планеты под лучом Звезды Смерти состоит из двух стадий, причём вторая намного мощнее первой. В этом варианте первая стадия взрыва - не более, чем испарение планетарной атмосферы и части коры. Тогда как вторая уже связана с детонацией самого планетарного ядра. На это косвенно указывает и то, что лишь после второй стадии взрыва сквозь газовое облако вылетают плотные осколки.
Автор не ставит себе целью доказать, что турболазеры обязательно представляют собой инициаторы распада или генераторы виртуальных частиц. Но такие гипотезы, по крайней мере, обозначают направление, в котором стоит поработать фантастам - вместо банального наращивания мощности, которое имеет слишком много побочных эффектов, попытаться найти нечто более тонкое и оригинальное. Как правило, именно этот подход давал большинство научно-технических революций в реальной истории.