Текст книги "Чердак. Только физика, только хардкор!"

Автор книги: Дмитрий Побединский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 12 страниц)

8. Удивительные штучки

8.1. Как сделать реальный джедайский меч?

Киноэпопея «Звездные войны» существует уже 39 лет. И за семь фильмов, это 15 с половиной часов суммарного времени, нигде, никем не сказано, как работают эти гребаные джедайские мечи! Не, ну конечно, в интернете полно домыслов и предположений, мол, божественная сила, фокусирующий энергию кристалл в рукоятке, энергетические поля, направляемые неведомой силой, и прочие… сказочки.

Выдумки выдумками, но согласитесь, хочется же собрать такой меч в реальности? Как же это сделать?

Самое интересное то, что световой меч состоит не из света. И правда, если бы из рукоятки выходил световой луч, он был бы бесконечен. К тому же световой луч не виден сбоку, его можно увидеть только в торец! Ну, или когда он рассеивается на мелких пылинках или тумане. Реально, попробуйте увидеть луч лазерной указки. Вряд ли получится.

Джедайские мечи все-таки светятся, их видно даже в вакууме, к тому же они имеют ограниченные размеры, так что, как ни странно, использовать именно свет не получится.

Поэтому фанаты предлагают другую технологию – использование плазмы. Плазма – это уже осязаемое вещество, а точнее, его особое состояние. Частицы, из которых состоит плазма, не нейтральны, а электрически заряжены (положительно или отрицательно). Плазма имеет высокую температуру, и в ней выделяется много энергии в виде света! Так что для создания джедайского меча она нам отлично подходит.

Самое классное, что сделать плазму нетрудно. Нужно всего лишь подать нужное напряжение на пару электродов, при этом происходит пробой газа между ними, то есть электрическое поле вырывает электроны из атомов, тем самым образуя месиво из положительных и отрицательных частиц. Это и есть плазма, плазменная дуга. Раз она состоит из зарядов, то хорошо проводит электричество. И плазма – это не диковинка, она встречается нам повсюду: в лампах дневного света, неоновых огнях рекламы, в пикселях плазменных экранов, на производстве в сварочных аппаратах…

Но на этом хорошие новости заканчиваются. Дело в том, что размеры дуги в современной технике оставляют желать лучшего. К тому же она обязательно должна заканчиваться на электродах. Поэтому, чтобы придать ей форму клинка, необходимо ее каким-то хитрым образом загнуть. Как это сделать?

На форму плазменной дуги можно повлиять с помощью электрических и магнитных полей, ведь она состоит из плюсов и минусов. Именно это делают в огромных установках по термоядерному синтезу, где удерживают высокотемпературную плазму вдалеке от стенок камеры, иначе она бы их мгновенно расплавила.

Ну допустим, мы все-таки создадим такую плазменную дугу, такое магнитное поле, которое удерживало бы ее в стабильной форме, да так, чтобы она еще не разлеталась каплями. Но тогда на это потребуется просто неимоверное количество энергии! Правда, таких батареек, размером с рукоятку, пока не изобрели, так что заставить меч работать можно, только подключив его толстенными ка́белями к настоящей электростанции!

Например, в первом эпизоде показано, как световой меч разрезает стальную дверь. Для такого трюка мощность меча должна быть порядка 20 МВт! Такую мощность может потреблять целый район города!

И вы только представьте, какая температура должна быть при такой мощности (около 20000 ℃)! После включения меч сразу спалит все вокруг!

Нужно понимать, что при ударах друг о друга мечи, если они целиком из плазмы, будут проходить насквозь! То есть для реального боя нужен какой-то твердый сердечник, который не плавится. Таких тугоплавких материалов еще не изобретено (самый тугоплавкий 4215 ℃), вся надежда на будущее. Ну и конечно, сердечник должен быть телескопическим и при выключении быстренько полностью прятаться в рукоятке.

Кстати, вот еще что интересно. Огонь – это не что иное, как низкотемпературная плазма. Попробуйте зажечь спичку и посмотрите на тень от нее. Пламя тени отбрасывать не будет. То есть плазма беспрепятственно пропускает свет от внешних источников и тени не дает. Но в фильмах то тут, то там видна пресловутая тень… Какие-то уж совсем странные законы физики в этой вселенной звездных войн! А может, это тень от твердого сердечника?

Несмотря на то, что световые мечи – это фантазия, нельзя отрицать, что рано или поздно технологии позволят создать их. Фантастика сильно влияет на ученых, ведь в чем-то наука может реализовать их мечты! И много устройств, описанных писателями-фантастами в прошлом, уже есть в наши дни (скайп, мобильник, огромные плазменные панели и т. д.). Вполне может быть, такая участь уготована и световым мечам.

8.2. Можно ли путешествовать во времени?

21 октября 2015 года Марти Макфлай и профессор Эмметт фон Браун прибыли на машине времени из прошлого, что показано в культовом фильме «Назад в будущее 2». Если где и существует городок Хилл-Вэлли, его жители в этот день, наверное, с нетерпением ждали чуда.

Всегда и везде путешествия во времени будоражат нашу фантазию. «Терминатор», «Иван Васильевич», «Назад в будущее» – сколько фантастики было придумано на эту тему, просто не счесть! Это, конечно же, выдумки, такое невозможно. Или… может быть, все-таки есть реальные способы путешествовать во времени? Представляете, действительно есть! Рассмотрим три простых способа путешествовать во времени.

Ничего не делать

И самый простой – ничего не делать! Серьезно, даже если вы просто сидите и смотрите кино, вы уже перемещаетесь во времени. Каждую минуту вы удаляетесь от самого себя предыдущего на одну минуту. Обидно то, что повлиять на это перемещение мы не можем. Да и абсолютно все участвуют в таком перемещении, абсолютно одинаково. А ведь хочется перемещаться во времени относительно других, правда ведь?

Скорость

В таком случае нам помогут ноги! Согласно теории относительности, для движущихся тел время протекает медленнее относительно покоящихся тел. Допустим, если вы встанете, пройдете на кухню, нальете себе чаю и вернетесь обратно, то пройдете… ну, метров 15. В таком случае вы переместитесь во времени в будущее на 0,0000000000000000001 секунды! Серьезно, если сверить часы, оставленные в комнате, с часами на вашей руке, то они будут отставать на вот это время. Получается, что для вас ваша прогулка занимала меньше времени, чем для всех остальных неподвижных предметов и наблюдателей. И если для вас прошло одно время, а для всех остальных больше времени, можно сказать, что вы словно перепрыгнули в будущее.

Вот такой хитрый маневр.

С увеличением скорости этот эффект растет, но на доступных нам скоростях все равно остается крайне слаб. На Земле таким образом больше всех путешествовал во времени космонавт Геннадий Иванович Падалка. Он пробыл на орбите 878 суток, двигаясь со скоростью 27000 км/ч. В итоге время у него отстает на 0,02 секунды относительно нашего. То есть он словно перескочил на 0,02 секунды в будущее.

Но если гипотетически разогнаться до очень огромной скорости, например, 299999 км/с, а это 99,9 % скорости света, то время замедлится в 100 раз. Значит, если вы будете двигаться с такой скоростью одну минуту, то словно попадете в машину времени. А когда выйдете из нее, для всех остальных пройдет 100 минут. Вы переместились в будущее более чем на 1,5 часа всего за 1 минуту. Профит! Другой вопрос, как разогнаться до такой скорости? Вот это непонятно.

Гравитация

Есть еще один способ переместиться в будущее – с помощью гравитации. Согласно ОТО, в областях с сильной гравитацией время протекает медленней относительно областей со слабой гравитацией. То есть часы на первом этаже идут всегда медленней, чем на последнем, ведь там гравитация чуточку слабее. Кстати, по этой же причине наши ноги будут всегда моложе, чем голова (ну, если только вы всю жизнь не ходили на голове).

Эффект этот, конечно, слабенький, но благодаря ему также можно путешествовать в будущее. Ложитесь на пол, где гравитация чуть сильнее. Полежите пару часов, и когда подниметесь, перед вами будет удивительный мир будущего через 0,000000000027 секунды!

Гравитация сильна вокруг нейтронных звезд и черных дыр. Вот уж там действительно: прилег на пару минут – и весь день прошел. Да, там обоснованием этому обстоятельству будет реально доказанный физический факт, а не ваша лень!

Кротовые норы

Но можно ли путешествовать в прошлое? Ну или в будущее, но не столь ущербными способами? Пока есть только гипотезы по этому поводу. Работая с уравнениями общей теории относительности, физики находили решения, в которых возможно путешествие назад, в прошлое. Это и поверхность бесконечного вращающегося цилиндра, и временные петли во вращающейся вселенной, и столкновение двух космических струн, оставшихся после большого взрыва. Но самой правдоподобной машиной времени кажется путешествие через кротовые дыры. Согласно той же ОТО, пространство-время может быть искривленным. То есть если мы каким-то суперзрением увидим каркас вселенной, то он не будет строго ровным. В космосе находятся массивные тела, гравитация искривляет его. Вполне может быть, что это искривление окажется настолько сильным, что две далекие точки пространства-времени соединятся неким туннелем, который и называют кротовой норой. Пролетев через нее, мы сможем очутиться либо в другом месте вселенной, либо в другом моменте времени, либо и то и другое.

Парадоксы

С путешествиями в прошлое могут возникнуть проблемы, связанные с появлением парадоксов. Например, парадокс дедушки. Что, если переместившись в прошлое, вы, не дай Бог, убьете своего деда? Тогда ваши родители не родятся, не родитесь и вы. Значит, вы не должны были переместиться в прошлое и никто вашего деда не убивал! Или другой пример. Вы купили бургер в «Макдоналдсе», переместились в прошлое, угостили им основателя «Макдоналдса», бургер ему не понравился и он не основал «Макдоналдс». Но значит, и бургер вы не покупали, и не угощали того человека, и он не основал «Макдоналдс».

Но все же все возникающие парадоксы можно обойти, их можно легко лишить парадоксальности с помощью нынешних законов физики. Например, парадокс дедушки легко обойти с помощью понятия мультивселенной. Когда вы перемещаетесь в прошлое, вселенная раздваивается. Существует версия, где ваш дед жив, оттуда вы пришли, и где мертв. Там вы сейчас. Если вы переместитесь обратно в будущее, то в будущем останетесь убийцей своего деда. Честно говоря, ученым не удалось найти законы, запрещающие путешествия во времени.

Правда, есть куча препятствий на пути путешественников во времени через кротовую нору. Например, согласно уравнениям, как только вы попытаетесь проникнуть в нее, она будет схлопываться. Чтобы это предотвратить, необходима экзотическая материя, обладающая отрицательной энергией. Ее существование под большим вопросом, поэтому хоть «кротовонорная» машина времени и является логически противоречивой, о ее реальном существовании стоит говорить с опаской.

Как увидеть прошлое?

Может ли кто-то увидеть наше прошлое? Конечно, да! С тех пор, как люди изобрели радио, непрерывно идет трансляция звука, изображения. Часть этого сигнала навсегда уходит в космос. Радиоволны движутся со скоростью света, поэтому вокруг Земли уже существует шар радиусом более 100 световых лет, на краю которого самые первые радиоволны, испущенные людьми. Продвигаясь в глубь этого шара, мы найдем волны сообщения Левитана об окончании войны, позывные «Кедр, я Сосна», «Хьюстон, у нас проблемы», все анекдоты от Трахтенберга и новость об открытии бозона Хиггса. Они будут крайне слабы и, возможно, будут смешиваться с фоном. Но вдруг какая-то цивилизация уже смогла поймать сигнал и уже смотрит самые первые серии «Санта-Барбары»?

Да и в целом, свет от далеких звезд идет к нам сотни, тысячи лет. Поэтому мы видим их прошлое, а они наше.

Путешествовать в будущее, как оказывается, хоть и сложно, но можно. Нельзя отрицать, что и путешествия в прошлое возможны. Понять их принцип мы сможем, когда нам удастся согласовать нынешние научные теории, описывающие гравитацию и квантовые частицы.

8.3. Как стать невидимым?

Ну кто не мечтал стать невидимым, как Гарри Поттер или Фродо? Эх, сказки, выдумки… Но знаете, современная наука не отрицает, что это возможно. И правда, невидимкой стать вполне реально, только вот как?

Испариться

Пожалуй, самый простой способ – это испариться. Серьезно! Газ обычно разрежен, расстояние между молекулами в нем огромное, поэтому частицы света проходят сквозь него практически беспрепятственно. Конечно, вряд ли человек перенесет такую трансформацию, да и собрать обратно его будет практически нереально. Но если вы хотите, например, спрятать от жены заначку, просто расплавьте ее, а потом испарите. Точно не найдет!

Коэффициент преломления

Но все же хочется остаться живым, когда станешь невидимкой. Тут есть проблема. Если каким-то чудесным образом ваше тело станет невидимым, то вы сами ничего не сможете видеть!

Чтобы быть невидимкой, недостаточно быть прозрачным, как стекло. Ведь в таком случае свет преломляется, проходя сквозь вас, и ваш силуэт можно различить. Для полной невидимости нужно, чтобы коэффициент преломления вашего тела равнялся коэффициенту преломления воздуха, то есть единице. Посмотрите, то же самое происходит с шариками гидрогеля. Коэффициенты преломления воды и гидрогеля практически равны. Погрузите шарики в воду, и видно их совсем не будет, ведь свет не преломляется!

И вот тут главная загвоздка. Одна из основных деталей глаза, хрусталик, представляет собой линзу, которая преломляет свет. Если этого преломления не будет, то на сетчатке не будет фокусироваться четкое изображение и мы ничего не увидим! Как Фродо видел, будучи сам невидимым, непонятно! Но там не только к этому есть вопросы…

Стелс

Но ведь есть уже самолеты-невидимки. Может, уже давно все изобретено?

Дело в том, что невидимость – относительная штука. Это когда через тело словно насквозь проходит свет. А ведь свет – это один из видов электромагнитных волн. Но есть и другие – радиоволны, инфракрасные, микроволны. Радары, обнаруживающие самолеты, используют невидимые микроволны. Они словно огромным прожектором невидимого света освещают все вокруг в надежде, что эти волны отразятся от самолета и вернутся на приемное устройство.

Самолеты стелс как раз сделаны так, чтобы как можно меньше микроволн отражалось от них в обратном направлении или поглощалось. Для этого очертаниям самолета придают особую форму, используют радиопоглощающие материалы и так далее. Тогда для микроволн они и правда оказываются невидимыми, но в обычном свете их видно еще как! Так что от наших глазастых пилотов они не скроются.

Метаматериалы

И все же, можно ли создать плащ-невидимку для оптического диапазона? Теоретически – да!

В плаще-невидимке свет огибает наше тело и выходит от нас в том же направлении. При этом сначала лучи нужно преломить в одном направлении, чтобы они огибали тело. Потом в другом направлении, чтобы они сомкнулись за телом. Для такого фокуса недостаточно обычных материалов. Нужны так называемые метаматериалы.

Это такие вещества, у которых свойства зависят больше не от атомов, из которых они состоят, а от структур, которые они образуют. Можно сказать, что если обычный материал – это фарш, то метаматериал – это груда тефтелек, сделанных из этого фарша. Одно из необычных свойств метаматериалов – отрицательный показатель преломления. Посмотрите, как происходит преломление в обычных веществах. Луч искривляется, но никогда не пересекает перпендикуляр к поверхности. Но в метаматериалах преломление происходит словно наоборот, круто меняя ход луча. С помощью таких приемов можно создать плащ-невидимку. Правда, это будет не мягкая ткань, а твердый объект. Правильнее будет назвать его кокон-невидимка.

Сложность заключается в том, что размеры структур в метаматериале должны быть меньше длины волны света. Сейчас уже созданы образцы метаматериалов, невидимых для ИК-излучения. Но у оптического диапазона длина волны в сотни раз меньше, и структуры метаматериала должны быть размером с атом. Это уже очень сложные нанотехнологии, и пока техника до такого не дошла.

Но самое смешное то, что в таком супермега-технологичном устройстве будущего дырки для глаз все равно будет видно.

Голограммы

И еще один способ. Согласитесь, довольно просто спроецировать на человека то, что находится за ним. Уже существуют прототипы таких устройств. Но проблема в том, что стоит нам немного изменить точку зрения – и сразу произойдет сдвиг картинки и обман будет раскрыт!

Другое дело, если снимать голограмму и проецировать сразу трехмерную картинку. Тогда и изменение точки просмотра не будет сказываться. Но и здесь есть проблема. Во-первых, запись настоящей цветной голограммы происходит шестью пучками лазеров. Во-вторых, масштабировать голограмму как обычную фотографию нельзя. Ее размеры всегда будут равны размеру матрицы. И если с лазерами еще хоть как-то можно разобраться, то такую огромную матрицу размером с человека мы вряд ли увидим в ближайшее время.

Многие желают овладеть технологиями невидимости – военные, спецслужбы, грабители. И только представьте, если эта технология попадет в плохие руки. Даже добродушные хоббиты не в силах устоять перед искушением брать чужое и убивать безнаказанно. Что уж говорить о людях! Так что, когда мы говорим о невидимости, может, стоит задуматься: а оно нам надо?

8.4. Вся правда о телепортации

Только представьте – конец рабочего или учебного дня. Вы очень устали, вы допиваете остывший кофе, силы на исходе, мысли только о том, как быстрее добраться до кровати. И тут – бац! Вы телепортируетесь к себе домой, остается только пижаму надеть. Все, никаких автобусов, метро, пробок. Интересно, такой сценарий так и останется в наших мечтах или все-таки есть надежда на реализацию мгновенного перемещения?

Планковская длина

Оказывается, если глубоко копнуть, то телепортация все-таки вполне реальна. Согласно современным представлениям, существует минимально возможная длина в природе. Это планковская длина. Она равняется 1,6·10³⁵ метра. То есть можно считать, что все пространство разделено на ячейки, как бы пиксели, размеры которых соответствуют планковской длине. И если объект движется, он как бы мгновенно перескакивает из одной ячейки в другую. Чем не телепортация? Это словно движение картинки на мониторе. Точки перескакивают из пикселя в пиксель мгновенно, при этом, если пиксели очень маленькие, создается иллюзия плавного движения. Так же и в жизни, только размеры пикселей намного меньше. Теоретически получается, мы постоянно телепортируемся, правда, не очень далеко.

Но это не совсем то, чего мы хотели. А именно – мгновенно перемещаться на большие расстояния. Пока практических способов реализации этого желания не найдено. Но есть гипотетические.

Кротовые норы

Общая теория относительности предполагает, что пространство-время может иметь определенную кривизну. При этом, возможно, оно может искривляться настолько, что создаются определенные туннели между двумя удаленными точками пространства-времени, так называемые кротовые норы. Пролетев через такую нору, мы за мгновение ока перенесемся в другую точку вселенной.

Проблема в том, что таких объектов не обнаружено. И в горловине этой норы предполагается наличие экзотической материи, которая обладает свойством антигравитации – массивные тела там не притягиваются, а отталкиваются.

Очень скоростное движение

Хотя знаете, можно очень сильно схитрить: разогнать вас до околосветовой скорости (0,999999999999999999998 с). Вы будете лететь почти со скоростью света, например, 1000 лет и преодолеете 9,46 эксаметров!!! (это 9,46 × 10¹⁵ км, 9,46 миллионов миллиардов километров). Но фишка в том, что относительно всего остального время у вас очень сильно замедлится и вы будете считать, что прошло всего 2 секунды! Ну чем вам не телепортация? Вы даже нос почесать не успеете. Правда, все ваши друзья и родственники уже вряд ли доживут до встречи с вами, но уж вот такая участь суперпутешественников.

Квантовая телепортация

Но все-таки это все не то. Действительно, людям пока не удалось найти способа, как мгновенно перемещать вещество, и пока никаких надежд нет. Но уже хорошо исследована квантовая телепортация, в которой передаются – не физические объекты, ни в коем случае, а состояние квантового объекта.

Представьте, что у нас есть фотон. Он обладает спином, то есть, образно говоря, вращается. И при движении он может вращаться либо по часовой стрелке, либо против. Но мы точно не можем знать, в каком состоянии он находится. Речь о том, что при измерении у нас есть какая-то вероятность обнаружить его в одном состоянии и какая-то вероятность обнаружить в другом. То есть до измерения он находится в нескольких состояниях одновременно, как кот Шредингера. Мы можем закодировать в состояния фотона какую-либо информацию и передавать ее на расстояние.

Но принципы квантовой механики не позволяют произвести измерение, поглядеть на фотон и передать информацию о том, как он выглядит. Грубо говоря, чтобы полностью передать такое неопределенное, двойственное состояние, и нужна квантовая телепортация.

Представим, что мы передаем состояние фотона из Москвы во Владивосток. Где-то между ними мы испускаем пару так называемых запутанных фотонов. У них у каждого по-прежнему такое неопределенное состояние, но если мы проведем измерение над одним из них и нам выпадет какое-то состояние, то мгновенно станет известно, какое состояние у другого фотона. То есть если один крутится по часовой стрелке, то другой – против часовой, и наоборот. Как будто между ними есть какой-то канал связи, по которому информация передается мгновенно на огромные расстояния и происходит что-то типа: «Эй напарник, меня рассекретили! Раскрывайся тоже, только в противоположном состоянии!»

Так вот. Когда один из фотонов прилетает в Москву, он как бы взаимодействует с фотоном, который у нас был. В этот момент мы проводим измерение, и при этом неопределенное состояние обоих фотонов разрушается. Зато во Владивостоке просто молниеносно фотон приобретает такое же состояние, что и московский. Остается только обычными средствами связи со скоростью света передать информацию, полученную при измерении, провести определенные манипуляции – и вуаля! Мы словно скопировали фотон, который был в Москве. Ну а точнее, его неопределенное, двойственное состояние.

Как видите, квантовая телепортация проходит в два этапа: первый мгновенный, второй все-таки со скоростью света. Человека так передать пока не удастся, только состояния микрочастиц. Ну и что касается применения, то это очень удобно использовать для защищенных каналов связи. Ведь как только на линии начинается прослушка, запутанное состояние разрушается и сразу можно понять, что за каналом следят. Так же такие структуры удобно использовать для создания квантового компьютера, ведь в одной ячейке памяти может храниться сразу несколько состояний, несколько значений. Будем надеяться, что работающий квантовый компьютер уже не за горами.

Что нас ожидает в будущем? Насчет телепортации реальных предметов ничего невозможно сказать, пока это противоречит основным физическим теориям. Но все может поменяться.