Москва — Кассиопея?

в 22:33, , рубрики: Star Trek, будущее здесь, квантовая физика, Научно-популярное, метки: ,

Вы смотрели в детстве фильм «Москва — Кассиопея»? Я посмотрел его, будучи еще дошколенком, и принял на веру — что все обязательно так и будет, построят аннигиляционный двигатель на антивеществе, удерживаемом в магнитных ловушках, корабль с оранжереями и замкнутой автономной экосферой и вперед, поехали! Эту мысль укрепляли и книги, которые попадались под руку. Уж не знаю, по какому принципу родители в то время подбирали книги, которые были в домашней библиотеке — по мне, так это были просто огромные шкафы без всякой системы, где книги накапливались слоями с доисторических времен. Сейчас я удивляюсь продуманности и мудрости родителей — книги были распределены в шкафах в такой системе, что в зависимости от своего возраста, и соответственно роста, я мог дотянуться до той книги, которая с большей вероятностью окажется для меня понятной, актуальной, интересной. Так и было! В третьем классе я дотягивался до «Физика юным» и «Занимательная физика» Яна Перельмана, (в пятом классе начал читерить — подставил табуретку, нашел на верхних полках такие книги, что ой — ей… но это совсем другая история)
В одной из советских книг про научные проекты освоения космоса нашел вот такую модель фотонной ракеты:

Москва — Кассиопея?

Под цифрой 1 — огромный параболический дефлектор из сверхпроводящего зеркала, предназначенный для направления потока энергии аннигиляции вещества и антивещества в фокусе отражателя. Сверхпроводимость нужна для того, чтобы токи, индуцируемые мощным потоком фотонов рождающихся в результате аннигиляции не приводили к нагреванию отражателя.
Такой двигатель по проектным расчетам мог разгонять ракету до скоростей, достаточных, для достижения ближайших звезд и планетарных систем в течение жизни человека.

Как сообщалось в описании того чудесного проекта — для его реализации осталось решить лишь только две глобальные инженерные задачи:
1. Хранение антивещества
2. Получение антивещества в достаточных количествах

Поиск решения этих задач требовал очень объемных фундаментальных исследований и будоражил умы. Потом, звезды вдруг стали никому не нужны. По крайней мере в нашей стране.

Однако, тем или иным путем, но эти задачи постепенно решались.
Многие люди, в том числе участники этого уважаемого сообщества, не раз задавались вопросом — к чему нужны эти дорогостоящие эксперименты, проводящиеся в CERN по поиску бозона Хиггса и т.п.?
В частности, для того, что такие исследования позволяют проводить поиск и проверку сопутствующих прикладных технологий — подстегивает прикладную науку.

Так, в ходе одного из экспериментов CERN по получению антиводорода были использованы комбинации магнитных ловушек Пеннинга и ловушек Иоффе-Питчарда. С их помощью полученные молекулы антиводорода просуществовали около 15 минут, что, по меркам квантовой физики, является очень большим временем существования нестабильных частиц.

Таким образом, явно наметилось решение первой инженерной задачи строительства квантовой ракеты.

Москва — Кассиопея?

Но как быть со второй? Как получать антивещество в достаточном количестве, да еще и в условиях космического вакуума? Казалось, что в ближайшее столетие мы не получим даже намеков на решение этой проблемы.

Однако, на днях я прочитал о результатах работы научной группы проекта VARIES, которые прорабатывали вопрос получения антивещества из… пустоты.

Здесь нужно сделать небольшое отступление:
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир, заметил, что если расположить две зеркальные поверхности параллельно друг-другу и сблизить на расстояние около 10 нм, то между ними возникнет довольно существенная сила притяжения либо отталкивания (зависит от конфигурации зеркальных плоскостей) которая пропорциональная четвертой степени расстояния между зеркалами. Этот эффект объясняется действием квантовых флуктуаций в вакууме.
Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля. В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра.

Стоп! То есть в вакууме — частицы? Но это же просто математическая абстракция, модель, скажете вы — ведь частицы же виртуальные!

Однако, это не совсем так. При соблюдении некоторых условий, виртуальные частицы, наполняющие собой вакуум, могут стать реальными и существовать достаточно долго.
Например, с помощью квантового устройства SQUID (superconducting quantum interference device) который сконструировал Кристофер Уилсон (Christopher Wilson) и его коллеги из Технологического университета Chalmers в Гетеборге, Швеция.
В этом устройстве миниатюрная металлическая петля подвергалась воздействию переменного магнитного поля, колеблющегося с частотой 11 миллиардов раз в секунду. Металлическая петля под воздействием магнитного поля совершала колебания с небольшой амплитудой, но развивая при этом скорость в пять процентов от скорости света. Такой скорости движения уже было достаточно, что бы «подтолкнуть» виртуальные частицы вакуума и проявить так называемый динамический эффект Казимира.

Как и ожидалось, при движении вышеупомянутой петли начали рождаться фотоны света, несущие четкую квантовую «подпись» виртуальных частиц, которые в результате разрыва пары стали реальными частицами.

Эврика! Но как это может быть полезно нашей ракете?
Идея получения частиц антивещества из вакуума легла в основу проекта VARIES (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar Explorer System).
По замыслу этого проекта космический корабль VARIES оборудуется огромным количеством солнечных батарей, имеющих суммарную площадь в сотни квадратных километров. Для того, что бы заправить топливом баки корабля, VARIES «паркуется» неподалеку от любой звезды и разворачивает панели солнечных батарей.

Энергия от солнечных батарей, накапливаемая в специальных суперконденсаторных батареях, приводит в действие чудовищно мощный лазер, луч которого «разбивает пространство-время вдребезги», что приводит к спонтанному возникновению материи и антиматерии ( протонов и антипротонов). Собирая вырабатываемую антиматерию в ловушки, корабль находится возле звезды до тех пор, пока количества топлива не будет достаточно для перелета к следующей звезде или к месту назначения.
По расчетам, сделанным учеными, мощность лазера должна составлять 5x10^29 Ватт на квадратный сантиметр.

Таким образом, пока космический корабль VARIES сможет добраться до окрестностей любой подходящей звезды, в его распоряжении всегда будет иметься неограниченный запас самого эффективного с энергетической точки зрения топлива.

Конечно, этот проект не претендует на однозначное решение задачи получения антивещества, поскольку такая мощность лазера на данный момент недоступна человечеству. Но все таки, у нас появляется все больше веских оснований в пользу того, что мы рано отказались от звездного неба. Engage!
Москва — Кассиопея?

Автор: voftik

* - обязательные к заполнению поля