Как сделать звездный меч

Наконец-то изобретён настоящий световой меч

Американский энтузиаст Аллен, у которого на канале YouTube всего 6 видео, 45,5 тыс. подписчиков и 15,7 млн. просмотров, выложил в сеть видеоосвидетельствование своего нового изобретения.

Раньше он уже был известен своим молотом Тора, который действительно нельзя было оторвать от земли:

Теперь же парень собрал настоящий световой меч, которым вполне реально завалить какого-то штурмовика.

Часть деталей для корпуса Аллен напечатал на 3D-принтере, электронные детали позволяют мечу издавать оригинальный звук, включать и выключать меч, регулировать его длину и менять цвет.

Есть одно маленькое отличие от оригинала — чтобы собрать такой меч в реальных условиях Аллену не пришло ничего другого на ум, как создать световую часть при помощи пламени. По сути этот меч — газовая горелка с увеличенной длиной огня. Пламя появляется как раз из-за реакции газов — метанола, ацетона и бутана.

На самом деле не в руках разработчика такая игрушка больше опасна для самого воина, чем для его врагов, так как подпалить себя совсем несложно. Это заметно по аккуратным движениям Аллена во время тестирования. Но, может, коммерсанты идею оценят и доработают до безопасного уровня. Тогда во дворах вместо мальчишек, играющих в «войнушки», мы увидим мальчишек, играющих в «звёздные войнушки» с настоящими такими мечами. Захватывающее будет представление.

Можно ли создать световой меч?

В преддверии премьеры фильма «Звёздные войны: Пробуждение Силы» я решил выкатить статью на полтора Азара с мыслями о том, насколько реально создать настоящий световой меч.

В закладки

Плох тот поклонник «Звездных Войн», что не хотел бы владеть световым мечом. Если верить играм и фильмам, в умелых руках он делает бойца непобедимым при минимальной экипировке. Недаром световой меч получил от Оби-Вана эпитет «элегантного оружия цивилизованных времен». Каждый раз, возвращаясь из уютных объятий вымышленного фантастического мира в мир реальный, хочется утащить с собой немного «Звездных войн», и, казалось бы, световой меч был бы отличным сувениром. Но возможно ли реализовать этот гаджет в нашем времени и в нашей галактике с теми законами физики, по которым мы живем? И если да, то, какие технологии для этого нужны? Постараюсь ответить на эти вопросы.

К решению нашей задачи есть два подхода. Первый заключается в том, что мы берём канон, вытаскиваем из него информацию о технологиях, используемый во вселенной ЗВ, и пытаемся адаптировать их в нашей реальности. Проблема здесь в том, что сами авторы франшизы слабо представляют себе физические основы того, что они описывают, и, как это делает большинство авторов фантастики и фэнтези, они прячутся за понятиями абстрактной «энергии» или «магии» (а в данном случае, Силы). Впрочем, авторы и не обязаны давать обоснования всему, что происходит в произведении, да и большинство из нас наслаждается сюжетами без оглядки на научные нестыковки, до тех пор, пока их можно скрыть за приемлемыми абстракциями. Поэтому головная боль о приведении фантастических технологий под реальную физическую основу – это, как правило, удел техногиков-перфекционистов.

Второй путь – исходить из реальных свойств фантастического устройства, которые мы от него ожидаем. В нашем случае это должна быть рукоятка, которая по нашей воле будет испускать невесомое светящееся лезвие определенной длины, обладающее разрушающей (расплавляющей) способностью. Клинок должен мочь отражать свет, отталкивать другой такой клинок, а также не нести вреда своему хозяину. Вообще, такая постановка условий существенно отличает световой меч от других типов холодного оружия. В частности, поражающей является любая часть светового клинка, а не только острая кромка лезвия, как у обычных мечей. Это, в свою очередь, приводит к специфичным изменениям в разнообразных техниках фехтования световым мечом. Примечательно, что эти техники развились до того, как сам световой меч был сконструирован: настолько сильно желание того, чтобы фантазия стала реальностью.

Забегая немного вперед, сразу скажу, что удовлетворить одновременно всем требованиям, приведенным выше, кажется, не сможет ни одна технология. Тем не менее, не лишним разобраться, как же можно достичь хотя бы части из них. Для этого необходимо понять, что же мы предполагаем использовать в качестве рабочего тела светового меча.

Само название оружия подсказывает нам, что клинок должен состоять из света, иначе говоря, потока фотонов – элементарных частиц света. Однако свет – очень плохой кандидат для создания клинка. Дело в том, что светом не так то просто управлять и удерживать его в некоей области пространства, а, ведь, это именно то, что нам нужно. Вообще, любая осязаемая материя – это результат возникновения сил притяжения между мельчайшими частичками, эту материю образующую. Например, если мы рассмотрим стальной клинок, речь будет идти о кристаллической связи между атомными остовами, порождаемой блуждающим между ними электронным газом. А, скажем, в плазме материю удерживает вместе давление среды в купе с притяжением электронов и положительных ионов, которые образуются из-за экстремальных условий, в которых плазма находится. В обоих случаях нам на помощь приходит притяжение частиц, обладающих зарядами с разными электрическими знаками.

Фотоны же не притягиваются друг к другу, они вообще никак не взаимодействуют без каких-либо посредников. По этой причине знаменитый физик-теорик и популяризатор науки, доктор Митио Каку в своей программе «Научная нефантастика» предложил сделать световой меч на базе высокоионизированной плазмы, которая будет выходить из маленьких отверстий по всей длине цилиндрического выдвижного телескопического полого клинка. Телескопический каркас необходим из-за того, что плазма сама по себе не твердая и не обеспечит нам требуемых характеристик. Это, конечно, не так изящно, как хотелось бы, поскольку в основе рабочего тела меча используется твердый материал, зато такой клинок будет удовлетворять ряду критериев. В частности, он будет светиться, при соприкосновении с инородным телом он будет воздействовать на него мощным тепловым воздействием, а также его можно будет скрестить с другим клинком. Более того, при определенных условиях плазма может отражать электромагнитное излучение.

Тем не менее, у такого светового меча есть свои проблемы. Например, для его функционирования необходим мощный источник энергии. Во вселенной ЗВ проблема с энергией решалась её возвратом обратно в меч. Здесь же нет никакого разумного способа вернуть энергию, растраченную на ионизацию. Каку предложил решить эту проблему с помощью использования нанотехнологий в батареях нового типа, однако вопрос о возможности реализации такой батареи до сих пор открыт. Я бы в качестве альтернативы предложил компактные термоядерные батареи. Они, в прочем, пока тоже не созданы. Другой проблемой плазменного меча стало бы вредное ультрафиолетовое излучение от плазмы. Неспроста сварщики используют маски в процессе своей работы.

Но вернемся к свету. Выше я обронил фразу, что фотоны не взаимодействуют без посредников. В самом деле, два фотона, встретившиеся в вакууме пройдут сквозь друг друга. Вместе с тем, если они встретятся не в вакууме, а в среде, они могут провзаимодействовать с той или иной интенсивностью. В этом случае среда выступает в роли посредника. Среды, в которых фотон-фотонное взаимодействие сильное, называются нелинейными средами. Относительно недавно была продемонстрирована способность фотонов притягиваться друг к другу, что сразу же запустило разговоры о фотонной материи и о световых мечах.

Художественное представление фотонной молекулы. Источник: http://super.abril.com.br/

Только нужно помнить, что условия, в которых такое притяжение наблюдалось, мягко говоря, экстремальные: ультрахолодный газ (то есть с температурой, холоднее, чем в космосе (!)) в оптической ловушке. Иначе говоря, такая система слишком хрупкая, и вряд ли это можно использовать при любых условиях, что ожидаемо от действующего светового меча. А учитывая, что для создания разрушающего действия нам понадобится гигантское количество света, которое сметёт с пути саму нелинейную среду, этот путь реализации светового меча кажется чистой фантазией. Ситуацию, как и в предыдущем способе, усугубляет необходимость иметь нефотонную основу клинка, которая должна каким-то образом появляться или исчезать.

Итак, в случае светового меча, основанного на нелинейной среде, мы опять сталкиваемся с необходимостью иметь какой-либо осязаемый посредник. Неужели нет способа заставить свет вернуться назад без использования каких-либо специальных приспособлений, которые должны были бы выдвигаться? На самом деле у природы есть один такой способ – это гравитация. Существует способ искривлять траекторию света, основанный на эффекте гравитационной линзы. Действительно, гравитация от достаточно массивного объекта способна притягивать фотоны вплоть до полного поглощения. В полной мере насладиться красотой этого явления нам позволил фильм «Интерстеллар», где в качестве спецэффектов использовались результаты моделирования, опубликованные в настоящей научной статье.

Эффект гравитационной линзы. Кадр из кинофильма «Интерстеллар». Энтузиастами была сделана браузерная симуляция червоточины из фильма, рекомендую: https://sirxemic.github.io/Interstellar/.

Можно ли создать световой меч на основе гравитации? Маловероятно. Чтобы заставить свет вернуться назад, необходима огромная масса. Несложные расчеты показывают, что чтобы вернуть фотон, который успеет отдалиться от гарды меча на 1 метр (примерная длина клинка), в рукояти должна быть заключена масса порядка нескольких сотен масс Земли. Учитывая, что эта масса должна быть сконцентрирована в столь малом объёме, это неизбежно вызовет образование черной дыры, которая засосёт не только фотон, но и незадачливого хозяина клинка. Кроме этого очевидного промаха, у данной технологии есть ряд других неудовлетворительных сторон. В частности, свет клинка по мере отдаления от рукояти должен будет меняться в красную сторону по спектру. Правда, увидеть мы этого не сможем, ведь, если мы хотим вернуть фотоны обратно, ни один из них не сможет вылететь из светового меча, чтобы донести до нас его свечение. Наконец, при скрещивании двух таких мечей, они будут стремиться притянуться друг к другу, хотя нам нужен противоположный эффект.

В свете всего вышеперечисленного перспективы создания светового меча на основе фотонной материи кажутся крайне призрачными. Тем не менее, в оптике есть ещё один, крайне экзотический эффект, о котором мало кто знает даже среди тех, кто, собственно, оптикой занимается. Когда я писал, что фотоны в вакууме проходят сквозь друг друга, я немного слукавил. В реальности даже вакуум – среда, в которой нет никаких частиц, обладает своей нелинейностью, только эта нелинейность крайне мала. Объяснение природы этой нелинейности лежит в области квантовой теории поля, но если описывать её в двух словах, то она заключается в том, что все фотоны, распространяясь в вакууме, постоянно создают пары частица-античастица (самый вероятный вариант: пара электрон-позитрон), которые живут крайне малое время и очень быстро схлопываются. Есть шансы, что другой фотон успеет провзаимодействовать с такой парой до того, как она исчезнет (аннигилирует), и тогда эта виртуальная пара станет посредником при взаимодействии света со светом. Эти шансы мизерны, но они растут либо с ростом энергии фотона (потому что пара будет дольше жить), либо с ростом интенсивности излучения (потому что станет больше фотонов в единице объема = больше шансов, что на пару налетит фотон).

Рост энергии фотона означает, что в конечном итоге мы должны прийти к гамма-излучению. Но, чтобы световой меч был видимым, нам нужно реализовать нелинейность на оптическом фотоне, то есть на фотоне, в миллион раз менее энергичном, чем гамма-квант. Остается один путь: накачивать мощность оптического излучения. Здесь нам на помощь приходит технология лазеров, про которую можно много где почитать и даже посмотреть. Интересно, что иногда встречается другой термин, обозначающий сабж: «лазерный меч». Может быть, эта технология приблизит нас к заветному оружию? Рассмотрим её поподробнее.

Итак, при достижении определенного порога, который носит название предел Швингера (примерно 10^30 Вт/см^2), интенсивности излучения достаточно, чтобы виртуальные электрон-позитронные пары жили достаточно долго, дабы реализовать нелинейность в вакууме. В этом случае рабочее тело клинка будет представлять собой электрон-позитронную плазму, которая, в отличие от случая с плазменным мечом, будет рождаться и рассеиваться вместе с лазерным лучом. Более того, на создание такой плазмы будет тратиться энергия луча, который должен из-за этого сужаться к концу, пока совсем не истончится. Таким образом, задавая начальную интенсивность лазера, мы можем регулировать длину клинка.

Что интересно: согласно канону ЗВ, в устройстве светового меча большую роль играют особые кристаллы, которые помещаются в его рукоятку. От них зависят различные характеристики, в том числе цвет клинка. Вместе с тем, большинство твердотельных лазеров также основано на использовании специальных кристаллов – так называемых активных сред. Как правило, такие кристаллы представляют собой какую-либо известную и распространенную основу (например, корунд), с примесью специальных атомов, которые определяют свойства будущего лазера, в том числе и цвет. Поиском новых рецептов для структуры и состава этих лазерных кристаллов занимаются целые институты, это очень важная прикладная задача. Этот пикантный момент добавляет интриги в вопрос о том, можно ли создать световой меч на технологии интенсивных лазеров.

Что ж, звучит многообещающе, но лазерных мечей в продаже пока нет, где же подвох? Разумеется, не все так просто. В первую очередь, как и обычная плазма, электрон-позитронная будет облучать пространство вокруг себя целым набором высокоэнергетических фотонов, включая гамма-излучение. Помимо этого, из клинка будут вылетать шальные электроны и позитроны, что с точки зрения радиационной безопасности считается бета-излучением. Таким образом, получающийся меч становится сильно радиоактивным.

Другим недостатком является тот факт, что при столкновении такие клинки, скорее всего, просто проходили бы сквозь друг друга. Наконец, есть проблема энергетическая. Как и в случае меча Каку, затраченная энергия здесь не возвращается обратно в меч, а рассеивается в виде радиации, а ведь в такой схеме нужны астрономические цифры по мощности, которые не сможет обеспечить даже термоядерный реактор, если бы его можно было упаковать в рукоятку меча. Даже сама идея о том, что настолько мощный лазер мог бы быть умещён в руке, кажется фантастикой, ведь даже рекордные по интенсивности лазеры (до 10^23 Вт/см^2) занимают по площади несколько футбольных полей.

LFEX (Laser for Fast Ignition Experiments, лазер для экспериментов с быстрым воспламенением) — пока самый мощный лазер в мире. Источник: Osaka University.

Кстати, излучение швингеровской мощности, распространяясь в пустом пространстве, может вести себя довольно интересно. Дело в том, что в нелинейных средах возможно образование так называемых солитонов: сгустков света, которые распространяются единым неразрушающимся волновым пакетом, со скоростью, меньшей, чем обычная скорость света. Если мы представим себе вакуум в нелинейном режиме, то, теоретически, там возможно образование таких солитонов. Скорее всего, они будут рассеивать фотоны, из которых они состоят, в окружающее пространство, таким образом, что солитоны можно будет наблюдать сбоку (обычный лазерный луч в пустоте не виден). Таким образом можно было бы объяснить аномальное с точки зрения привычной оптики поведение выстрелов из бластеров во вселенной ЗВ.

Подводя некоторые итоги, мы вынуждены признать, что, похоже, что ни одна из технологий не способна создать устройство, эквивалентное световому мечу по функциональности. Ближе всех к цели приблизился вариант с плазменным мечом, но как мы выяснили, он страдает рядом недостатков. Я намеренно не рассматриваю холодное оружие на основе более сложных явлений, например, псионные клинки из Starcraft, или мечи из нанороботов из Deus Ex. Такое оружие, хоть и эквивалентно по действию световому мечу, совершенно не поддается хоть какому-нибудь научному анализу.

Вместе с тем, хотелось бы задаться вопросом, насколько разумным было бы создание такого оружия? Помимо того факта, что во всех своих реализациях меч наносил бы радиационный вред своему хозяину, пользоваться им большой риск ещё просто потому, что поражающим фактором является вся поверхность клинка. Одно неловкое движение, и вы отрубили себе ногу или руку, в то время как обычный меч лишен такого недостатка. Во вселенной ЗВ мечом пользовались преимущественно те, кто владел Силой, одним из аспектов которой является доверие интуиции и бессознательная способность избегать повреждений. Это же касается способности джедаев и ситхов отражать с помощью светового меча выстрелы бластеров и пуль. Получается, что если вы не владеете Силой, то, как боец, вы явно проиграете противнику с дистанционным оружием. Если, конечно, не перерубите себя раньше.

Так стоит ли ломать голову над тем, на какие технологические ухищрения стоит идти ради оружия, от которого в реальной жизни мало толку?

Материал опубликован пользователем. Нажмите кнопку «Написать», чтобы рассказать свою историю.

Написать

Нестабильный плазменный «клинок»

Согласно канону Star Wars, световой меч представляет из себя плазменный «факел» удерживаемый энергетическим полем. Поле изгибается особым образом формируя «клинок» длинной около метра при помощи магнитного стабилизационного кольца вокруг верхушки рукояти, поток плазмы изгибается у кромки и опускается к негативно заряженному кольцу окружающему плазменный излучатель.

Для начала предположим, что Джедаи действительно могут создавать плазму лишь при помощи потока электронов проходящих через специальные фокусирующие кристаллы, при этом обычный атмосферный газ служит носителем. Пусть это будет одна из особенностей Силы.

Известно, что получившаяся плазма имеет достаточно высокую температуру, чтобы плавить практически любой материал за исключением нескольких экзотических. Это значит, что плазменный клинок работает именно на основе нагрева, при этом температура в пару тысяч градусов Цельсия удерживается лишь при помощи электромагнитного поля.

И это является первой причиной, почему световой меч скорее убьет его владельца.

Так как световое лезвие является скорее путем, который проложен электромагнитным полем, то любое внешнее воздействие повлияет на него. Что если металлический объект или другой световой меч соприкоснется с мечом? Что будет если меч окажется в области с электромагнитными полями?

Во-первых, световой меч может просто изменить форму под воздействием полей. Он может полностью вырубиться или столкнуться с большим полем. В любом случае плазма вырвется из под контроля. Если повезет, то будет изобретен Плазма-Каттер, если нет, то можно лишиться зрения или получить смертельно-опасные ожоги.

У световых мечей нет отдачи

Вторая причина, почему дизайн светового меча может стать причиной смерти. Его низкий вес, природа самого лезвия и другие гироскопические эффекты создаваемые плазмой уже сами по себе очень опасны, а вместе создают девайс для самоубийц.

Когда люди создают тот или иной инструмент, они делают это с учетом нашей физиологии. Проще говоря, создавая все что угодно, идет учет веса, баланса, конечностей, подвижности и тому подобного. Сделано это для того, чтобы человек мог воспринимать объект как расширение себя. Возьмите в руки деревянный меч, сядьте за руль автомобиля или поднимите что-то тяжелое. Так как наше тело обладает уникальной системой адаптации, то оно будет учитывать ситуацию, позволяя не падать каждый раз и не чувствовать себя в коробке из железа. Данная система включает весь набор ощущений – от баланса, до тактильной и зрительной информации.

Однако так как плазма светового меча практически не имеет веса, человеку, даже очень искусному, будет крайне сложно воспринимать этот небольшой цилиндр в руке как продолжение себя – как нечто физическое, имеющее форму. Полагаясь только на визуальную информацию и изгибы запястья для искусного управления световым мечом, да еще и выполняя акробатические трюки – может быть просто невозможно с физиологической точки зрения. В какой-то момент тело может перестать давать отчет о том, под каким углом находится клинок светового меча, так как организм не будет испытывать изменения баланса.

Физика плазмы

Еще одна причина, почему световой меч может быть крайне сложным в обращении, не говоря уж об обучении, приводя к смерти множества юных Джедаев. На этот раз виной тому физика самой плазмы, а не магнитного поля.

Поведение плазмы во многом имеет больше схожих черт с динамикой жидкости нежели с механической физикой. Вращение заряженных частиц в клинке светового меча будет вызывать особые эффекты, особенно если Джедай меняет ориентацию меча. С одной стороны, это может частично исправить проблемы с владением мечом, однако также может вызывать ситуацию, когда световой меч будет выделять энергию пропорционально противоположную движениям джедая… что может привести к вращению плазменного клинка относительно руки деждая, или искривлять его от центра его боевой стойки.

Второй вариант более вероятен, в результате чего противник имеет куда больше возможностей пробить вам грудь своим собственным световым мечом. В первом же случае, отсутствие физиологического восприятия и поведение плазмы создает огромную проблему для новичков, искажаясь и искривляясь по своей природе, лишая юных джедаев их конечностей.