Митио Каку
Физика невозможного

Энергия для Звезды смерти

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

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

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

Инерционное удержание для лазерного термоядерного синтеза

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

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

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

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

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

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

Магнитное удержание для термоядерного синтеза

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

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

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

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

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

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

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

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

Но даже термоядерные реакторы с магнитным удержанием не смогут обеспечить энергией оружие, подобное Звезде смерти. Для этого потребуются совершенно новые разработки.

Рентгеновские лазеры с ядерной накачкой

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физика Звезды смерти

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

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

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

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

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

Источники гамма-всплесков

Космические источники гамма-всплесков были впервые замечены в 1970-х гг. на запущенных американскими военными спутниках «Вела» (Vela), предназначенных для обнаружения «лишних вспышек» – свидетельств незаконного взрыва ядерной бомбы. Но вместо вспышек на поверхности Земли спутники зарегистрировали гигантские всплески излучения из космоса. Первоначально неожиданное открытие вызвало в Пентагоне настоящую панику: неужели Советы испытывают новое ядерное оружие в дальнем космосе? Позже было установлено, что всплески поступают равномерно со всех направлений небесной сферы; это означало, что на самом деле они приходят в галактику Млечный Путь извне^[1]. Но, если предположить действительно внегалактическое происхождение всплесков, то мощность их получится поистине астрономической – ведь они способны «осветить» всю видимую вселенную.

После развала Советского Союза в 1990 г. Пентагон неожиданно рассекретил громадное количество астрономических данных^[2]. Астрономы были поражены. Они внезапно поняли, что перед ними новое загадочное явление из тех, что заставляют время от времени переписывать учебники и справочники.

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

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

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

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

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

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