L'étoile de la mort est une arme colossale de la taille d'une bonne lune. Tirer à bout portant sur la planète sans défense Alderaan, la patrie de la princesse Leia, l'étoile de la mort la détruit complètement. La planète disparaît dans les flammes d'une explosion titanesque, dispersant des débris dans tout le système solaire. Un milliard d'âmes hurlent simultanément d'agonie, provoquant une indignation dans la Force qui se fait sentir n'importe où dans la galaxie.
Mais une arme comme l'étoile de la mort du film Star Wars est-elle vraiment possible? Est-il possible d'organiser et d'orienter une batterie de canons laser pour qu'une planète entière s'évapore en conséquence? Qu'en est-il des célèbres sabres laser que Luke Skywalker et Dark Vador utilisaient, qui sont un faisceau de lumière mais peuvent facilement couper à travers l'acier blindé? Les rayguns, comme les phasers de Star Trek, deviendront-ils la bonne arme pour les générations futures de forces de l'ordre et de soldats?
Les nouveaux effets spéciaux, originaux et époustouflants de Star Wars ont fait une impression convaincante sur des millions de téléspectateurs, mais les critiques avaient une opinion différente. Certains d'entre eux ont fait valoir que oui, bien sûr, les cinéastes ont sincèrement essayé de divertir le spectateur, mais en fait, de telles choses sont complètement impossibles. Les critiques ne se lassent jamais de répéter comme une incantation: des canons à rayon de la taille de la lune, capables de faire exploser une planète entière en petits morceaux, est quelque chose d'inouï; les épées d'un faisceau lumineux qui se durcit soudainement sont également impossibles. Tout cela est trop, même pour une galaxie lointaine et lointaine. Cette fois, George Lucas, le célèbre maître des effets spéciaux, dérapa un peu.
Cela peut être difficile à croire, mais une quantité illimitée d'énergie peut être «enfoncée» dans un faisceau lumineux; il n'y a pas de limitations physiques. La création d'une étoile de la mort ou d'un sabre laser ne contredit aucune loi de la physique. De plus, des faisceaux de rayonnement gamma capables de faire exploser la planète existent réellement dans la nature. Le sursaut titanesque de rayonnement, généré par une source mystérieuse et lointaine de sursauts gamma, est capable de créer une explosion dans l'espace lointain, juste derrière le Big Bang lui-même. Toute planète qui parvient à être à la vue d'un tel "pistolet" sera en fait frite ou déchirée en morceaux.
Les armes à rayons dans l'histoire
Le rêve d'exploiter l'énergie des rayonnements n'est pas du tout nouveau; ses racines remontent à la religion et à la mythologie anciennes. Le dieu grec Zeus est célèbre pour avoir tiré sur les mortels avec la foudre. Le dieu nordique Thor brandissait un marteau magique, Mjellnir, capable de lancer des éclairs, et le dieu hindou Indra a tiré un faisceau d'énergie d'une lance magique.
L'idée du rayon comme véritable arme pratique est apparue pour la première fois dans les travaux du grand mathématicien grec Archimède, peut-être le plus grand scientifique de l'antiquité, qui a réussi à développer sa propre version du calcul différentiel primitif deux mille ans avant Newton et Leibniz. On pense que dans la bataille légendaire de 214 av. contre les troupes du général romain Marcellus pendant la seconde guerre punique, Archimède, aidant à défendre le royaume de Syracuse, construisit une grande batterie de réflecteurs solaires, focalisa les rayons du soleil sur les voiles des navires ennemis et les incendia ainsi. (Les scientifiques se demandent toujours si une telle arme à faisceau pourrait réellement fonctionner; plusieurs groupes de scientifiques ont essayé, avec des résultats variables, de reproduire cette réalisation.)
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Les pistolets à faisceau ont frappé les pages de la science-fiction en 1889 avec le classique War of the Worlds de HG Wells. Dans ce roman, des extraterrestres de Mars ont détruit des villes entières en leur dirigeant des faisceaux d'énergie thermique provenant de canons montés sur leurs trépieds. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les nazis, toujours prêts à rechercher et à adopter les dernières avancées technologiques afin de les utiliser pour conquérir le monde, ont également expérimenté divers types de pistolets à rayons, y compris des dispositifs acoustiques qui focalisaient de puissants faisceaux sonores à l'aide de miroirs paraboliques.
L'arme, qui est un faisceau de lumière focalisé, a capturé l'imagination du public après la sortie du film de James Bond Goldfinger; c'était le premier film hollywoodien à présenter un laser. (Dans celui-ci, le légendaire espion britannique était attaché à une table en métal et un puissant faisceau laser s'approcha lentement de lui, fondant progressivement la table entre ses jambes et menaçant de couper le héros en deux.)
Au départ, les physiciens se moquaient uniquement de l'idée des pistolets à faisceau, exprimée dans le roman de Wells, parce que ces armes violaient les lois connues de l'optique. Selon les équations de Maxwell, la lumière que nous voyons autour de nous est incohérente (c'est-à-dire qu'il s'agit d'un fouillis d'ondes de fréquences et de phases différentes) et se dissipe rapidement. On croyait autrefois qu'un faisceau de lumière cohérent, focalisé et uniforme - tel qu'un faisceau laser - était impossible à obtenir.
Révolution quantique
Tout a changé après l'avènement de la théorie quantique. Déjà au début du XXe siècle. il est devenu clair que, bien que les lois de Newton et les équations de Maxwell décrivent avec beaucoup de succès le mouvement des planètes et le comportement de la lumière, il existe toute une classe de phénomènes qu'elles ne peuvent expliquer. Malheureusement, ils n'ont rien dit sur les raisons pour lesquelles les matériaux conduisent l'électricité, pourquoi les métaux fondent à certaines températures, pourquoi les gaz émettent de la lumière lorsqu'ils sont chauffés, pourquoi certaines substances deviennent supraconductrices à basse température. Pour répondre à l'une de ces questions, il est nécessaire de comprendre la dynamique interne des atomes. La révolution est mûre. La physique newtonienne, après 250 ans de domination, attendait son renversement; en même temps, l'effondrement de la vieille idole était censé annoncer le début des douleurs de travail de la nouvelle physique.
En 1900, Max Planck en Allemagne a suggéré que l'énergie n'est pas continue, comme Newton le croyait, mais qu'elle existe sous la forme de petites «portions» discrètes appelées «quanta». Puis, en 1905, Einstein a postulé que la lumière est également composée de ces minuscules paquets discrets (ou quanta), appelés plus tard photons. Avec cette idée simple mais puissante, Einstein a pu expliquer l'effet photoélectrique, à savoir pourquoi les métaux, lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière, émettent des électrons. Aujourd'hui, l'effet photoélectrique et le photon sont à la base de la télévision, des lasers, des cellules solaires et d'une grande partie de l'électronique moderne. (La théorie du photon d'Einstein était si révolutionnaire que même Max Planck, qui soutenait généralement ardemment Einstein, ne pouvait pas y croire au début. Planck a écrit à propos d'Einstein: «Le faitque parfois il manque … comme, par exemple, il l'a fait avec l'hypothèse des quanta de lumière, on ne peut, en toute conscience, lui en vouloir.
Puis en 1913, le physicien danois Niels Bohr nous a donné une image complètement nouvelle de l'atome; L'atome de Bohr ressemblait à un système solaire miniature. Mais, contrairement au système solaire réel, les électrons d'un atome ne peuvent se déplacer autour du noyau que sur des orbites ou des coquilles discrètes. Lorsqu'un électron "saute" d'une coquille à une autre, qui est plus proche du noyau et a moins d'énergie, il émet un photon d'énergie. A l'inverse, lorsqu'un électron absorbe un photon avec une certaine énergie, il "saute" plus haut, vers une coquille qui est plus éloignée du noyau et qui a plus d'énergie.
En 1925, avec l'avènement de la mécanique quantique et les travaux révolutionnaires d'Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg et bien d'autres, une théorie presque complète de l'atome est née. Selon la théorie quantique, l'électron était une particule, mais il possédait également une onde associée, ce qui lui donnait à la fois les propriétés d'une particule et d'une onde. Cette onde obéissait à l'équation dite d'onde de Schrödinger, qui permettait de calculer les propriétés de l'atome, y compris tous les "sauts" d'électrons postulés par Bohr.
Jusqu'en 1925, les atomes étaient considérés comme des objets mystérieux; beaucoup, comme le philosophe Ernst Mach, ne croyaient pas du tout à leur existence. Après 1925, l'homme a eu l'occasion non seulement d'examiner en profondeur la dynamique de l'atome, mais aussi de prédire ses propriétés de manière assez fiable. Étonnamment, cela signifiait qu'avec un ordinateur suffisamment puissant à portée de main, on pouvait déduire les propriétés des éléments chimiques directement à partir des lois de la théorie quantique. De même que la physique newtonienne, avec une machine de calcul suffisamment grande, permettrait aux scientifiques de calculer le mouvement de tous les corps célestes de l'univers, la physique quantique, selon les scientifiques, a permis en principe de calculer toutes les propriétés des éléments chimiques de l'univers sans exception. De plus, disposer d'un ordinateur suffisamment puissant,on pourrait composer la fonction d'onde complète d'un être humain.
Masers et lasers
En 1953, le professeur Charles Townes de l'Université de Californie à Berkeley, avec ses collègues, réussit à obtenir le premier faisceau de rayonnement cohérent, à savoir les micro-ondes. L'appareil a été appelé un maser (maser - après les premières lettres des mots de l'expression "amplification des micro-ondes par émission stimulée de rayonnement", c'est-à-dire "amplification des micro-ondes par la stimulation des rayonnements".) Plus tard, en 1964, Townes, en collaboration avec les physiciens russes Nikolai Basov et Alexander Prokhorov a reçu le prix Nobel. Bientôt, les résultats des scientifiques ont été étendus à la lumière visible. Le laser est né. (Le phaser, par contre, est un appareil fantastique rendu célèbre par Star Trek.)
La base du laser est un milieu spécial qui transmettra réellement le faisceau laser; il peut s'agir d'un gaz spécial, d'un cristal ou d'une diode. Ensuite, vous devez pomper de l'énergie dans cet environnement de l'extérieur - en utilisant l'électricité, les ondes radio, la lumière ou une réaction chimique. L'afflux d'énergie inattendu excite les atomes dans le milieu, amenant les électrons à absorber de l'énergie et à sauter sur les enveloppes extérieures d'énergie plus élevée.
Dans un tel état excité et pompé, le milieu devient instable. Si, après cela, un faisceau de lumière est dirigé à travers lui, alors les photons du faisceau, entrant en collision avec les atomes, provoqueront une décharge soudaine d'électrons vers des orbites plus basses et la libération de photons supplémentaires. Ces photons, à leur tour, feront émettre encore plus d'électrons de photons - et bientôt une réaction en chaîne d'atomes "s'effondrer" à un état non excité commencera par la libération presque simultanée d'une énorme quantité de photons - des milliards et des billions d'entre eux - tous dans le même faisceau. La caractéristique fondamentale de ce processus est que dans certaines substances, avec une libération de type avalanche, tous les photons vibrent à l'unisson, c'est-à-dire qu'ils sont cohérents.
(Imaginez des dominos alignés dans une rangée. Dans l'état d'énergie le plus bas, chaque articulation repose à plat sur la table. À l'état gonflé à haute énergie, les articulations se tiennent debout, comme les atomes gonflés d'un support. En poussant une articulation, vous pouvez provoquer une libération simultanée soudaine de toute cette énergie, tout comme la même chose que lorsque le faisceau laser est né.)
Seuls quelques matériaux sont capables de travailler dans un laser; cela signifie que seulement dans des substances spéciales lorsqu'un photon entre en collision avec un atome excité, un photon est émis qui est cohérent avec le premier. Cette propriété de la matière conduit au fait que tous les photons du flux émergent vibrent à l'unisson, créant un mince faisceau laser. (Contrairement à la légende populaire, le faisceau laser ne reste pas toujours aussi fin qu'au tout début. Par exemple, un faisceau laser tiré sur la Lune se dilatera progressivement en cours de route et donnera une tache de plusieurs kilomètres à la surface de la Lune.)
Un laser à gaz simple est un tube rempli d'un mélange d'hélium et de néon. Lorsque l'électricité passe à travers le tube, les atomes absorbent de l'énergie et deviennent excités. Puis, s'il y a une libération soudaine de toute l'énergie stockée dans le gaz, un faisceau de lumière cohérente est né. Ce faisceau est amplifié par deux miroirs installés aux deux extrémités du tube, de sorte que le faisceau est réfléchi par eux à son tour et se précipite le long du tube d'un côté à l'autre. L'un des miroirs est complètement opaque, mais l'autre transmet une petite fraction de la lumière incidente, libérant ainsi le faisceau vers l'extérieur.
Aujourd'hui, les lasers peuvent être trouvés partout - dans la caisse enregistreuse de l'épicerie, dans le câble à fibre optique qui vous donne accès à Internet, dans une imprimante laser ou un lecteur de CD et dans un ordinateur moderne. Les lasers sont utilisés dans la chirurgie oculaire, le détatouage et même dans les salons de beauté. En 2004, les lasers ont été vendus dans le monde pour plus de 5,4 milliards de dollars.
Types de lasers et leurs caractéristiques
De nouveaux lasers sont découverts presque tous les jours maintenant; en règle générale, nous parlons de la découverte d'une nouvelle substance qui peut fonctionner dans un laser, ou de l'invention d'une nouvelle méthode de pompage d'énergie dans le fluide de travail.
La question est de savoir si ces technologies sont adaptées à la fabrication de pistolets à rayons ou de sabres laser? Pouvez-vous construire un laser assez grand pour alimenter l'étoile de la mort? Aujourd'hui, il existe une variété stupéfiante de lasers qui peuvent être classés en fonction du matériau du fluide de travail et de la façon dont l'énergie est pompée (cela pourrait être de l'électricité, un faisceau lumineux puissant, voire une explosion chimique). Nous listons plusieurs types de lasers.
• Lasers à gaz. Cette catégorie comprend également les lasers hélium-néon extrêmement courants, qui produisent un faisceau rouge très familier. Ils sont gonflés d'ondes radio ou d'électricité. Les lasers hélium-néon sont de faible puissance. Mais les lasers à gaz carbonique peuvent être utilisés pour les opérations de dynamitage, pour couper et fondre les métaux dans l'industrie lourde; ils sont capables de donner un faisceau extrêmement puissant et complètement invisible;
• Lasers chimiques. Ces puissants lasers sont chargés par des réactions chimiques telles que la combustion de l'éthylène et du trifluorure d'azote NF3. Ces lasers sont suffisamment puissants pour être utilisés dans le domaine militaire. Aux États-Unis, le principe chimique du pompage est utilisé dans les lasers de combat aérien et terrestre capables de délivrer un faisceau de puissance de plusieurs millions de watts et conçus pour abattre des missiles à courte portée en vol.
• Lasers à excimère. Ces lasers tirent également leur énergie d'une réaction chimique, qui implique généralement un gaz inerte (c'est-à-dire de l'argon, du krypton ou du xénon) et une sorte de fluorure ou de chlorure. Ils émettent de la lumière ultraviolette et peuvent être utilisés dans l'industrie électronique pour graver de minuscules transistors sur des puces à semi-conducteurs et en chirurgie oculaire pour les opérations Lasik les plus fines.
• Lasers à semi-conducteurs. Les diodes que nous utilisons si largement dans toutes sortes d'appareils électroniques peuvent produire des faisceaux laser puissants, qui sont utilisés dans les industries de la découpe et du soudage. Ces mêmes lasers à semi-conducteurs fonctionnent également dans les caisses enregistreuses, lisant les codes-barres des produits choisis.
• Lasers à colorant. Ces lasers utilisent des colorants organiques comme milieu de travail. Ils sont extrêmement utiles pour générer des impulsions de lumière ultra-courtes, qui sont souvent de l'ordre d'un billionième de seconde.
Lasers et pistolets à faisceau?
Compte tenu de la grande variété de lasers commerciaux et de la puissance des lasers militaires, il est difficile de ne pas se demander pourquoi nous n’avons pas de fusils à rayons et de canons utilisables sur le champ de bataille? Dans les films de science-fiction, les pistolets à rayons et les pistolets d'une sorte ou d'une autre ont tendance à être les armes les plus courantes et les plus familières. Pourquoi ne travaillons-nous pas à créer une telle arme?
La réponse simple à cette question est que nous ne disposons pas de sources d'alimentation portables suffisantes. Ce n'est pas une bagatelle. Les armes à faisceau nécessiteraient des batteries miniatures de la taille d'une paume, mais correspondant à la puissance d'une énorme centrale électrique. Actuellement, la seule façon d'obtenir la puissance d'une grande centrale électrique est d'en construire une. Et le plus petit appareil militaire pouvant servir de conteneur pour de telles énergies est une bombe à hydrogène miniature, qui, malheureusement, peut détruire non seulement la cible, mais vous-même.
Il y a aussi un deuxième problème - la stabilité de la substance émettrice, ou fluide de travail. En théorie, il n'y a pas de limite à la quantité d'énergie qui peut être pompée dans un laser. Mais le problème est que le corps de travail d'un pistolet laser à main serait instable. Les lasers à cristal, par exemple, surchauffent et se fissurent si vous y injectez trop d'énergie. Par conséquent, créer un laser extrêmement puissant - qui pourrait vaporiser un objet ou neutraliser un ennemi - pourrait nécessiter une énergie explosive. Dans ce cas, naturellement, on ne peut plus penser à la stabilité du fluide de travail, car notre laser sera jetable.
Les problèmes liés au développement de sources d'énergie portables et de matériaux émetteurs stables rendent l'existence de canons à rayons impossible dans l'état actuel de la technique. En général, vous ne pouvez créer un pistolet à rayons que si vous y apportez un câble à partir d'une source d'alimentation. Peut-être qu'avec l'utilisation de la nanotechnologie, nous pourrons un jour créer des batteries miniatures capables de stocker ou de générer de l'énergie suffisante pour créer de puissantes rafales - un attribut nécessaire des armes laser portatives. Actuellement, comme nous l'avons vu, la nanotechnologie en est à ses balbutiements. Oui, les scientifiques ont réussi à créer au niveau atomique certains appareils - très ingénieux, mais totalement irréalisables, comme le boulier atomique ou la guitare atomique. Mais il se peut bien que quoi d'autre dans ceci ou, disons,au siècle prochain, la nanotechnologie nous donnera en effet des batteries miniatures pour stocker de fabuleuses quantités d'énergie.
Les sabres laser ont le même problème. Avec la sortie de Star Wars en 1970, les sabres laser jouets sont devenus un succès instantané auprès des garçons. De nombreux critiques ont estimé qu'il était de leur devoir de souligner qu'en réalité de tels dispositifs sont impossibles. Premièrement, la lumière ne peut pas être solidifiée. La lumière se déplace à la vitesse de la lumière, il est donc impossible de la solidifier. Deuxièmement, un faisceau de lumière ne peut pas être brusquement coupé dans l'espace, comme le font les sabres laser dans Star Wars. Le rayon de lumière ne peut pas être arrêté, il est toujours en mouvement; un vrai sabre laser irait loin dans le ciel.
En fait, il existe un moyen de fabriquer une sorte de sabre laser à partir de plasma, ou de gaz ionisé surchauffé. Si le plasma est suffisamment chauffé, il brillera dans l'obscurité et coupera l'acier aussi. Un sabre laser à plasma peut être un tube télescopique mince qui s'étend à partir d'une poignée.
Le plasma chaud est libéré dans le tube à partir de la poignée, qui sort ensuite par de petits trous sur toute la longueur de la «lame». Le plasma monte de la poignée le long de la lame et sort dans un long cylindre incandescent de gaz surchauffé, suffisamment chaud pour faire fondre l'acier. Un tel dispositif est parfois appelé torche à plasma.
Ainsi, nous pouvons créer un appareil à haute énergie qui ressemble à un sabre laser. Mais ici, comme dans le cas des pistolets à rayons, vous devrez d'abord acquérir une puissante batterie portable. Donc, soit vous utilisez la nanotechnologie pour créer une batterie miniature qui peut fournir à votre sabre laser une énorme quantité d'énergie, soit vous devez le connecter à une source d'alimentation à l'aide d'un long câble.
Ainsi, alors que les pistolets à rayons et les sabres laser peuvent être fabriqués sous une certaine forme aujourd'hui, les armes à main que nous voyons dans les films de science-fiction ne sont pas possibles avec l'état de l'art. Mais plus tard dans ce siècle, ou peut-être dans le prochain, le développement de la science des matériaux et de la nanotechnologie pourrait bien conduire à la création de l'un ou l'autre type d'arme à faisceau, ce qui nous permet de la définir comme une impossibilité de classe I.
Énergie pour l'étoile de la mort
Pour construire l'étoile de la mort, un canon laser capable de détruire une planète entière et de terroriser la galaxie, comme le montre Star Wars, vous devez créer le laser le plus puissant imaginable. Actuellement, les lasers les plus puissants sur Terre sont probablement utilisés pour obtenir des températures qui, dans la nature, ne peuvent être trouvées que dans le cœur des étoiles. Peut-être que ces lasers et les réacteurs de fusion basés sur eux nous aideront un jour sur Terre à exploiter l'énergie stellaire.
Dans les réacteurs à fusion, les scientifiques tentent de reproduire les processus qui ont lieu dans l'espace lors de la formation d'une étoile. Au début, l'étoile apparaît comme une énorme boule d'hydrogène non formé. Ensuite, les forces gravitationnelles compriment le gaz et le réchauffent ainsi; progressivement la température à l'intérieur atteint des valeurs astronomiques. Par exemple, au cœur d'une étoile, la température peut atteindre 50 à 100 millions de degrés. Il fait assez chaud pour que les noyaux d'hydrogène collent ensemble; dans ce cas, des noyaux d'hélium apparaissent et de l'énergie est libérée. Dans le processus de fusion de l'hélium à partir de l'hydrogène, une petite partie de la masse est convertie en énergie selon la célèbre formule d'Einstein E = mc2. C'est la source à partir de laquelle l'étoile puise son énergie.
Les scientifiques tentent actuellement d'exploiter l'énergie de la fusion nucléaire de deux manières. Les deux voies se sont avérées beaucoup plus difficiles à mettre en œuvre qu'on ne le pensait auparavant.
Confinement inertiel pour la fusion laser
La première méthode est basée sur le soi-disant confinement inertiel. À l'aide des lasers les plus puissants de la Terre, un morceau de soleil est créé artificiellement en laboratoire. Le laser en verre néodyme à l'état solide est idéal pour reproduire les températures les plus élevées que l'on trouve uniquement dans les noyaux stellaires. L'expérience utilise des systèmes laser de la taille d'une bonne usine; une batterie de lasers dans un tel système tire une série de faisceaux parallèles dans un long tunnel. Ces puissants faisceaux laser sont ensuite réfléchis par un système de petits miroirs montés autour du volume sphérique. Les miroirs focalisent précisément tous les faisceaux laser, les dirigeant sur une petite boule de matériau riche en hydrogène (comme le deutérure de lithium, la substance active dans une bombe à hydrogène). Les scientifiques utilisent généralement une balle de la taille d'une tête d'épingle et ne pèsent qu'environ 10 mg.
Le flash laser chauffe instantanément la surface de la balle, provoquant l'évaporation de la couche supérieure de la substance et la compression brutale de la balle. Il "s'effondre" et l'onde de choc qui en résulte atteint son centre même et fait sauter la température à l'intérieur de la balle jusqu'à des millions de degrés - le niveau nécessaire à la fusion des noyaux d'hydrogène pour former des noyaux d'hélium. La température et la pression atteignent des valeurs astronomiques telles que le critère de Lawson est rempli, le même qui est également rempli dans le cœur des étoiles et dans les explosions de bombes à hydrogène. (Le critère de Lawson stipule que certains niveaux de température, de densité et de temps de rétention doivent être atteints pour déclencher une réaction de fusion thermonucléaire dans une bombe à hydrogène, une étoile ou un réacteur.)
Dans le processus de fusion thermonucléaire par confinement inertiel, une énorme quantité d'énergie est libérée, y compris sous forme de neutrons. (La température du deutéride de lithium peut atteindre 100 millions de degrés Celsius et sa densité est vingt fois supérieure à celle du plomb.) Une explosion de rayonnement neutronique provenant de la balle se produit. Les neutrons tombent dans une "couverture" sphérique de matière entourant la chambre du réacteur et la réchauffent. Ensuite, la chaleur qui en résulte est utilisée pour faire bouillir de l'eau, et la vapeur peut déjà être utilisée pour faire tourner la turbine et produire de l'électricité.
Le problème, cependant, est de focaliser les faisceaux à haute énergie et de diffuser leur rayonnement uniformément sur la surface de la petite boule. La première tentative majeure de fusion laser a été Shiva, un système laser à vingt faisceaux construit au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et lancé en 1978 (Shiva est la déesse à plusieurs bras du panthéon hindou, rappelant un système laser à faisceaux multiples.) "Shiva" s'est avéré décourageant; néanmoins, avec son aide, il a été possible de prouver que la fusion thermonucléaire laser est techniquement possible. Plus tard, le "Shiva" a été remplacé par le laser "Nova", qui a décuplé le "Shiva" en puissance. Mais le "Nova" n'a pas été en mesure de fournir un allumage correct de la boule d'hydrogène. Cependant,Ces deux systèmes ont ouvert la voie à des recherches ciblées dans la nouvelle installation nationale d'allumage (NIF), dont la construction a commencé à LLNL en 1997.
Le NIF devrait commencer ses travaux en 2009. Cette machine monstrueuse est une batterie de 192 lasers qui produisent une puissance énorme de 700 trillions de watts en une courte impulsion (la puissance totale d'environ 70 000 grandes centrales nucléaires). Il s'agit d'un système laser de pointe conçu spécifiquement pour la fusion complète de billes saturées d'hydrogène. (Les critiques soulignent également son importance militaire évidente - après tout, un tel système est capable de simuler le processus de détonation d'une bombe à hydrogène; peut-être qu'il créera un nouveau type d'arme nucléaire - une bombe basée uniquement sur le processus de fusion, qui ne nécessite plus une charge atomique d'uranium ou de plutonium pour exploser.)
Mais même le système NIF, conçu pour soutenir le processus de fusion thermonucléaire et contenant les lasers les plus puissants de la Terre, ne peut même pas se comparer à distance en puissance avec le pouvoir destructeur de l'étoile de la mort, que nous connaissons depuis Star Wars. Pour créer un tel appareil, nous devrons rechercher d'autres sources d'énergie.
Confinement magnétique pour la fusion
La deuxième méthode que les scientifiques pourraient en principe utiliser pour dynamiser Death Rides est connue sous le nom de confinement magnétique - le processus par lequel un plasma d'hydrogène chaud est maintenu en place par un champ magnétique.
Cette méthode servira très probablement de prototype aux premiers réacteurs thermonucléaires commerciaux. Actuellement, le projet le plus avancé de ce type est le réacteur expérimental thermonucléaire international (ITER). En 2006, plusieurs pays (dont l'Union européenne, les États-Unis, la Chine, le Japon, la Corée, la Russie et l'Inde) ont décidé de construire un tel réacteur à Cadarache dans le sud de la France. Dans celui-ci, l'hydrogène doit être chauffé jusqu'à 100 millions de degrés Celsius. Il est possible qu'ITER devienne le premier réacteur thermonucléaire de l'histoire, capable de produire plus d'énergie qu'il n'en consomme. Il est conçu pour produire 500 MW d'électricité en 500 secondes (le record actuel est de 16 MW en une seconde). Il est prévu que le premier plasma soit produit à ITER d'ici 2016,et l'installation sera pleinement opérationnelle en 2022. Le projet, d'une valeur de 12 milliards de dollars, est le troisième projet scientifique le plus coûteux de l'histoire (après le projet Manhattan et la Station spatiale internationale).
En apparence, l'installation ITER ressemble à un gros beignet, tressé à l'extérieur avec d'immenses anneaux d'enroulement électrique; l'hydrogène circule à l'intérieur du beignet. L'enroulement est refroidi à un état de supraconductivité, puis une énorme quantité d'électricité y est pompée, créant un champ magnétique qui retient le plasma à l'intérieur du beignet. Lorsqu'un courant électrique passe directement à travers le beignet, le gaz à l'intérieur se réchauffe à des températures stellaires.
La raison pour laquelle les scientifiques s'intéressent autant au projet ITER est simple: à long terme, il promet de créer des sources d'énergie bon marché. Les réacteurs de fusion sont alimentés par de l'eau de mer ordinaire, riche en hydrogène. Il s'avère, au moins sur le papier, que la fusion thermonucléaire peut nous fournir une source d'énergie bon marché et inépuisable.
Alors pourquoi n'avons-nous pas encore de réacteurs à fusion? Pourquoi est-ce déjà plusieurs décennies - depuis le moment dans les années 1950. un diagramme de processus a été développé - ne pouvons-nous pas obtenir de vrais résultats? Le problème est que l'hydrogène est incroyablement difficile à comprimer uniformément. Dans les noyaux des étoiles, la gravité oblige l'hydrogène à prendre une forme sphérique idéale, à la suite de laquelle le gaz se réchauffe proprement et uniformément.
La fusion thermonucléaire laser dans le NIF nécessite que les faisceaux laser qui enflamment la surface de la boule d'hydrogène soient exactement les mêmes, ce qui est extrêmement difficile à réaliser. Dans les installations à confinement magnétique, le fait que le champ magnétique ait des pôles nord et sud joue un rôle important; en conséquence, il est extrêmement difficile de comprimer le gaz uniformément dans la sphère correcte.
Le mieux que nous puissions créer est un champ magnétique en forme de beignet. Mais le processus de compression d'un gaz est comme serrer un ballon dans vos mains. Chaque fois que vous pressez la balle d'un bout, l'air la pousse à un autre endroit. Compresser le ballon simultanément et uniformément dans toutes les directions n'est pas une tâche facile. Le gaz chaud s'échappe généralement de la bouteille magnétique; tôt ou tard, il atteint les parois du réacteur et le processus de fusion thermonucléaire s'arrête. C'est pourquoi il est si difficile de presser suffisamment d'hydrogène et de le maintenir comprimé même pendant une seconde.
Contrairement aux centrales nucléaires modernes, où se produit la fission des atomes, un réacteur à fusion ne produira pas une grande quantité de déchets nucléaires. (Chacune des centrales nucléaires traditionnelles produit 30 tonnes de déchets nucléaires extrêmement dangereux par an. En revanche, les déchets nucléaires d'un réacteur à fusion seront principalement de l'acier radioactif, qui restera après son démontage.)
Il ne faut pas espérer que la fusion thermonucléaire résoudra complètement les problèmes énergétiques de la Terre dans un proche avenir. Le Français Pierre-Gilles de Gennes, lauréat du prix Nobel de physique, déclare: «Nous disons que nous allons mettre le soleil dans une boîte. Bonne idée. Le problème est que nous ne savons pas comment fabriquer cette boîte. Mais les chercheurs espèrent que, si tout se passe bien, dans quarante ans, ITER aidera les scientifiques à ouvrir la voie à la production commerciale d'énergie thermonucléaire - énergie qui pourrait un jour fournir de l'électricité à nos maisons. Un jour, peut-être, les réacteurs à fusion nous permettront sur Terre d'utiliser l'énergie stellaire en toute sécurité et d'atténuer ainsi nos problèmes énergétiques. Mais même les réacteurs thermonucléaires à confinement magnétique ne pourront pas alimenter des armes comme l'étoile de la mort. Cela nécessitera des développements complètement nouveaux.
Lasers à rayons X à pompage nucléaire
Il existe une autre possibilité de construire un canon laser Death Star basé sur la technologie actuelle - en utilisant une bombe à hydrogène. Une batterie de lasers à rayons X, exploitant et concentrant la puissance des armes nucléaires, pourrait, en théorie, fournir une puissance suffisante pour faire fonctionner un appareil capable de faire exploser une planète entière.
Les réactions nucléaires libèrent environ 100 millions de fois plus d'énergie par unité de masse que les réactions chimiques. Un morceau d'uranium enrichi pas plus gros qu'une balle de tennis suffirait à brûler une ville entière dans un tourbillon de feu, malgré le fait que seulement 1% de la masse d'uranium est converti en énergie. Comme nous l'avons dit, il existe de nombreuses façons de pomper de l'énergie dans le fluide de travail d'un laser, et donc dans le faisceau laser. La plus puissante de ces méthodes - bien plus puissante que toutes les autres - consiste à exploiter l'énergie d'une bombe nucléaire.
Les lasers à rayons X sont d'une importance énorme, à la fois militaire et scientifique. La très courte longueur d'onde du rayonnement X permet d'utiliser de tels lasers pour sonder à des distances atomiques et déchiffrer la structure atomique de molécules complexes, ce qui est extrêmement difficile à faire avec les méthodes classiques. La capacité de «voir» les atomes en mouvement et de distinguer leur emplacement dans une molécule nous fait regarder les réactions chimiques d'une manière complètement nouvelle.
Une bombe à hydrogène émet une énorme quantité d'énergie sous forme de rayons X, de sorte que les lasers à rayons X peuvent être pompés avec l'énergie d'une explosion nucléaire. En science, les lasers à rayons X sont les plus étroitement associés à Edward Teller, le «père» de la bombe à hydrogène.
Incidemment, c'était Teller dans les années 1950. a témoigné devant le Congrès que Robert Oppenheimer, qui dirigeait auparavant le projet Manhattan, ne pouvait pas se voir confier d'autres travaux sur la bombe à hydrogène en raison de ses opinions politiques. Le témoignage de Teller a abouti à la diffamation d'Oppenheimer et à son refus d'accès à du matériel classifié; de nombreux physiciens éminents n'ont jamais pu pardonner à Teller pour cela.
(Mes propres contacts avec Teller ont commencé au lycée. J'ai ensuite mené une série d'expériences sur la nature de l'antimatière, remporté le grand prix à la foire scientifique de San Francisco et un voyage à la foire scientifique nationale à Albuquerque, au Nouveau-Mexique. En collaboration avec Teller, qui a toujours prêté attention aux jeunes physiciens talentueux, j'ai participé à une émission de télévision locale. Plus tard, j'ai reçu de Teller une bourse d'ingénierie nommée d'après Hertz, qui m'a aidé à payer mes études à Harvard. Plusieurs fois par an, je suis allé au domicile de Teller à Berkeley, et là appris à connaître sa famille de près.)
En principe, le laser à rayons X Teller est une petite bombe nucléaire entourée de tiges de cuivre. L'explosion d'une arme nucléaire génère une onde de souffle sphérique de rayonnement X intense. Ces faisceaux à haute énergie traversent des tiges de cuivre, qui agissent comme le fluide de travail du laser et concentrent l'énergie des rayons X en faisceaux puissants. Les rayons X résultants peuvent alors être dirigés vers les ogives ennemies. Bien entendu, un tel appareil ne peut être utilisé qu'une seule fois, car une explosion nucléaire provoquerait une auto-destruction du laser à rayons X.
Le premier test laser à rayons X, surnommé le test Cabra (Cabra), a été réalisé en 1983. Une bombe à hydrogène a explosé dans une mine souterraine, puis un flux désordonné de rayons X a été focalisé et converti en un faisceau laser cohérent à rayons X. Les tests ont été initialement jugés réussis; en fait, c'est ce succès en 1983 qui a inspiré le président Reagan à faire une déclaration d'intention historique pour construire un bouclier défensif de Star Wars. Cela a lancé un programme de plusieurs milliards de dollars pour construire un réseau d'appareils comme les lasers à rayons X à pompage nucléaire pour abattre les ICBM ennemis. Les travaux dans le cadre de ce programme se poursuivent aujourd'hui. (Plus tard, il s'est avéré qu'un capteur conçu pour enregistrer et mesurer le rayonnement lors d'un test historique,a été détruit; ainsi, on ne pouvait pas faire confiance à son témoignage.)
Est-il vraiment possible d'abattre des ogives de missiles balistiques avec un tel dispositif non trivial? Ce n'est pas exclu. Mais il ne faut pas oublier que l'ennemi peut trouver de nombreux moyens simples et peu coûteux de neutraliser de telles armes (par exemple, on pourrait tromper le radar en tirant des millions de leurres bon marché; ou faire tourner l'ogive pour diffuser les rayons X de cette manière; ou proposer un revêtement chimique qui protégerait l'ogive des rayons X). En fin de compte, l'ennemi pourrait simplement produire en masse des ogives qui perceraient le bouclier de Star Wars simplement par leur nombre.
Par conséquent, les lasers à rayons X à pompage nucléaire sont actuellement incapables de se protéger contre les attaques de missiles. Mais est-il possible de créer sur leur base une étoile de la mort capable de détruire une planète entière ou de devenir un moyen efficace de protection contre un astéroïde en approche?
Physique de l'étoile de la mort
Est-il possible de créer une arme capable de détruire une planète entière, comme dans Star Wars? En théorie, la réponse est simple: oui. Et de plusieurs manières.
Il n'y a aucune limitation physique pour l'énergie libérée par l'explosion d'une bombe à hydrogène. Voici comment ça se passe. (Une description détaillée de la bombe à hydrogène, même aujourd'hui, est classée par le gouvernement américain comme la catégorie de secret la plus élevée, mais en termes généraux, son dispositif est bien connu.) Une bombe à hydrogène est fabriquée en plusieurs étapes. En combinant le nombre d'étages requis dans le bon ordre, vous pouvez obtenir une bombe nucléaire de presque n'importe quelle puissance prédéterminée.
La première étape est une bombe à fission standard, ou bombe atomique; il utilise l'énergie de l'uranium 235 pour générer un sursaut de rayons X, comme cela s'est produit à Hiroshima. Une fraction de seconde avant que l'explosion d'une bombe atomique ne détruise tout, une sphère en expansion de puissantes impulsions de rayons X apparaît. Ce rayonnement dépasse l'explosion réelle (puisqu'il se déplace avec la vitesse de la lumière); ils parviennent à le recentrer et à l'envoyer dans un conteneur contenant du deutéride de lithium, la substance active d'une bombe à hydrogène. (Exactement comment cela est fait est encore un secret d'État.) Les rayons X tombent sur le deutéride de lithium, le faisant instantanément s'effondrer et chauffer à des millions de degrés, provoquant une deuxième explosion, beaucoup plus puissante que la première. Le sursaut X résultant de cette seconde explosionvous pouvez alors vous recentrer sur le deuxième lot de deutéride de lithium et provoquer une troisième explosion. Voici le principe selon lequel vous pouvez placer côte à côte de nombreux conteneurs de deutéride de lithium et obtenir une bombe à hydrogène d'une puissance inimaginable. Ainsi, la bombe la plus puissante de l'histoire de l'humanité était la bombe à hydrogène à deux étages, qui a explosé en 1961 par l'Union soviétique. Puis il y a eu une explosion d'une capacité de 50 millions de tonnes de TNT, même si théoriquement cette bombe était capable de donner une puissance de plus de 100 mégatonnes de TNT (soit environ 5000 fois plus que la puissance de la bombe larguée sur Hiroshima).la bombe la plus puissante de l'histoire de l'humanité était la bombe à hydrogène à deux étages, qui a explosé en 1961 par l'Union soviétique. Puis il y a eu une explosion d'une capacité de 50 millions de tonnes de TNT, bien que théoriquement cette bombe était capable de donner une puissance de plus de 100 mégatonnes de TNT (soit environ 5000 fois plus que la puissance de la bombe larguée sur Hiroshima).la bombe la plus puissante de l'histoire de l'humanité était la bombe à hydrogène à deux étages, qui a explosé en 1961 par l'Union soviétique. Puis il y a eu une explosion d'une capacité de 50 millions de tonnes de TNT, bien que théoriquement cette bombe était capable de donner une puissance de plus de 100 mégatonnes de TNT (soit environ 5000 fois plus que la puissance de la bombe larguée sur Hiroshima).
Cependant, des pouvoirs complètement différents sont nécessaires pour enflammer une planète entière. Pour ce faire, l'étoile de la mort devrait lancer des milliers de ces lasers à rayons X dans l'espace, qui devraient alors être tirés simultanément. (À titre de comparaison, au plus fort de la guerre froide, les États-Unis et l'Union soviétique stockaient chacun environ 30000 bombes nucléaires.) L'énergie combinée d'un si grand nombre de lasers à rayons X aurait suffi à enflammer la surface de la planète. Par conséquent, l'Empire Galactique du futur, à des centaines de milliers d'années de nous, pourrait bien sûr créer une telle arme.
Pour une civilisation très développée, il existe un autre moyen: créer une étoile de la mort qui utiliserait l'énergie d'une source cosmique de sursauts gamma. D'une telle étoile de la mort, une explosion de radiations émanerait, juste après le Big Bang au pouvoir. Les sources de sursaut gamma sont un phénomène naturel, elles existent dans l'espace; néanmoins, il est concevable qu'un jour une civilisation avancée puisse exploiter leur énorme énergie. Il est possible que si nous prenons le contrôle de la rotation d'une étoile bien avant son effondrement et la naissance d'une hypernova, alors il sera possible de diriger le «tir» de la source des sursauts gamma vers n'importe quel point de l'espace.
Sources de sursauts gamma
Les sources cosmiques de GRB ont été remarquées pour la première fois dans les années 1970. sur les satellites Vela lancés par des satellites militaires américains, conçus pour détecter des "flashs supplémentaires" - preuve d'une explosion d'une bombe nucléaire illégale. Mais au lieu de fusées éclairantes à la surface de la Terre, les satellites ont détecté des explosions géantes de rayonnement de l'espace. La découverte surprise initiale a déclenché la panique au Pentagone: les Soviétiques testent-ils de nouvelles armes nucléaires dans l'espace lointain? Plus tard, on a découvert que les rafales provenaient uniformément de toutes les directions de la sphère céleste; cela signifiait qu'ils arrivaient en fait dans la galaxie de la Voie lactée de l'extérieur. Mais, si nous supposons une origine vraiment extragalactique des sursauts, alors leur puissance se révélera vraiment astronomique - après tout, ils sont capables «d'illuminer» l'univers visible tout entier.
Après l'effondrement de l'Union soviétique en 1990, le Pentagone a déclassifié de manière inattendue une énorme quantité de données astronomiques. Les astronomes étaient étonnés. Ils ont soudain réalisé qu'ils étaient confrontés à un nouveau phénomène mystérieux de la part de ceux qui sont forcés de temps en temps de réécrire des manuels et des ouvrages de référence.
La durée des sursauts gamma est courte, allant de quelques secondes à plusieurs minutes, il faut donc un système de capteurs soigneusement organisé pour les détecter et les analyser. Premièrement, les satellites enregistrent une rafale de rayonnement gamma et envoient les coordonnées exactes de la source à la Terre. Les coordonnées obtenues sont transmises à des télescopes optiques ou radio, qui, à leur tour, sont dirigés vers un point spécifié dans la sphère céleste.
Bien que l'on ne sache pas tout sur les sursauts gamma pour le moment, l'une des théories de leur origine dit que les sources des sursauts gamma sont des "hypernovae" d'une force extraordinaire, laissant derrière eux des trous noirs massifs. Dans ce cas, il s'avère que les sources de sursauts gamma sont des trous noirs monstrueux au stade de la formation.
Mais les trous noirs émettent deux jets, deux flux de rayonnement, du pôle sud et du nord, comme une toupie. Le rayonnement du sursaut gamma que nous enregistrons appartient, apparemment, à l'un de ces flux - celui qui s'est avéré être dirigé vers la Terre. Si le flux de rayonnement gamma d'une telle source était dirigé exactement vers la Terre et que la source elle-même était dans notre voisinage galactique (à une distance de plusieurs centaines d'années-lumière de la Terre), sa puissance suffirait à détruire complètement la vie sur notre planète.
Premièrement, une impulsion électromagnétique créée par les rayons X d'une source de sursaut gamma aurait désactivé tous les équipements électroniques sur Terre. Un puissant faisceau de rayons X et de rayonnement gamma causerait des dommages irréparables à l'atmosphère terrestre, détruisant la couche d'ozone protectrice. Ensuite, un flux de rayons gamma réchaufferait la surface de la Terre, provoquant des tempêtes de feu monstrueuses qui finiraient par engloutir la planète entière. Peut-être que la source des sursauts gamma n'aurait pas fait exploser la planète, comme le montre le film "Star Wars", mais elle aurait certainement détruit toute vie dessus, laissant derrière elle un désert calciné.
On peut supposer qu'une civilisation qui nous a devancés en développement de centaines de millions d'années apprendra à diriger ces trous noirs vers la cible souhaitée. Ceci peut être réalisé en apprenant à contrôler le mouvement des planètes et des étoiles à neutrons et à les diriger vers une étoile mourante à un angle précisément calculé juste avant l'effondrement. Un effort relativement faible suffira pour dévier l'axe de rotation de l'étoile et la diriger dans la direction souhaitée. Ensuite, l'étoile mourante se transformera en le plus grand canon à faisceau imaginable.
Résumer. L'utilisation de lasers puissants pour la création d'armes à faisceau portatives ou portatives et de sabres laser devrait être classée comme impossibilité de classe I - très probablement, cela deviendra possible dans un proche avenir, ou, par exemple, dans les cent prochaines années. Mais la tâche extrêmement difficile de viser une étoile en rotation avant d'exploser et de la transformer en trou noir, c'est-à-dire de la convertir en étoile de la mort, doit être considérée comme une impossibilité de classe II - quelque chose qui ne contredit pas clairement les lois de la physique (après tout, les sources des sursauts gamma existent dans la réalité.), mais ne pourra être réalisé que dans le futur, après des milliers voire des millions d'années.
Extrait du livre: "Physique de l'impossible".