Распространяются ли законы физики на вселенную Star Wars? И вообще, есть ли смысл пытаться их применить? Иногда физика, которую мы видим в кино, соответствует реальности, а в других случаях для того, чтобы показанное имело смысл, требуются продвинутые технологии или новые открытия в мире физики. В любом случае, наука — это процесс критического мышления, необходимый для разбора проблемы, а не конкретной ситуации, в которой проблема возникает.
И всё же, в фильмах не всегда есть ответы, объясняющие физические моменты. Что такое световой меч? Это плазма или луч света? В зависимости от консультанта, с которым вы общаетесь по этому вопросу, ответ может быть и тем, и другим. В данной статье правильным считается то, что показано в фильме, а остальные источники считаются дополнительными. Для ясности не все вычисления даются полностью. Если хотите воспроизвести их — займитесь этим, вооружившись вводным учебником по физике. Красота науки в том, что вне зависимости от того, кто вы и где находитесь, у вас должно получиться воспроизвести результаты работы другого человека.
Световые мечи — то, что делает Звёздные войны Звёздными войнами. На первый взгляд за ними просто интересно наблюдать. Также они позволяют нам чувствовать конфликт и эмоциональный подъём, ощущаемые персонажами. Что бы представлял собой культовый момент «Я твой отец» в «Империя наносит ответный удар» без предшествующей ему битвы на световых мечах между Люком и Дартом Вейдером? Это очевидно гениальный элемент фильмов, но остаётся ли он в рамках науки?
Расширенная версия Звёздных войн говорит о том, что источником энергии (и света) для световых мечей служат кайбер-кристаллы, которые можно найти в разных частях галактики (включая Джедху из «Изгой-один»). Есть ли у этих кристаллов реальный прототип? Практичны ли различные схемы и цвета?
Световые мечи обычно имеют 90 см в длину. Простота создания луча такой длины зависит от того, световой ли это луч или плазменный.
Лучи света сложно удержать, поскольку фотоны очень сложно остановить или развернуть. Возможно, проще всего создать луч длины 90 см, используя отражающее свет зеркало, расположенное напротив рукояти меча. Но эта схема не соответствует показанной в фильме, поскольку в выключенном состоянии световые мечи не больше их рукояти. Звук включения светового меча может быть звуком движущегося наружу зеркала, как бы раскрывающего контейнер со светом, но тут есть и другие проблемы.
К примеру, тот факт, что этот луч видно. Если вы светили лазером себе на руку, вы знаете, что кожу он не разрезает. Мощность лазера видимого света нужно увеличить примерно в тысячу раз до того, как он сможет нанести хоть какое-то повреждение, а лазеру такой мощности потребуется большая система охлаждения. Кроме того, из известных нам свойств луча света мы знаем, что каким бы он ни был мощным, он не сможет отразить плазменный импульс из бластеры. Кроме того, луч света не может и поглощать плазму.
Если мы будем считать, что это луч плазмы, то у нас появляется другой набор трудностей. Хорошо разработанное магнитное поле, в принципе, способно удерживать плазму в объёме длиной 90 см (возможно, отправляя плазму по чрезвычайно вытянутому эллиптическому пути, создающему грубый цилиндр). Плазма достаточно горячая, чтобы суметь прижечь рану и расплавить металл (оба этих свойства световых мечей показаны в фильмах). Начало неплохое — но дуэль на плазмах сразу вызывает несколько проблем. Ожидать, что свободно текущая плазма будет сталкиваться с другой свободно текущей плазмой — это всё равно, как ожидать, что один суп столкнётся с другим. На самом деле плазмы будут притягиваться (поскольку они состоят из заряженных частиц) и объединятся. По той же причине довольно сложно будет отразить летящий импульс бластера — но зато можно объяснить поглощение молнии силы.
Цвет плазмы зависит от температуры. В этом смысле красный световой меч должен обладать меньшей энергией, чем зелёный, если предположить, что они состоят из одного материала. Это справедливо и для случая, в котором они сделаны из света, поскольку у зелёного света энергия больше, чем у красного. Сгенерировать плазму красного или зелёного света довольно сложно. Большая часть полученной в лаборатории и в звёздах плазмы создаётся при помощи водорода. Это значит, что нам известен цвет плазмы, основанной на водороде. Но мы не знаем, будет ли у плазмы другой цвет, если мы изготовим её, например, на основе кобальта? Для этого придётся поэкспериментировать.
Плазма горячая, и находиться рядом с ней довольно жарко, если мы говорим о достаточно большом её количестве. Поскольку плазма обычно разогревается до температур в миллион градусов, при попытке удержать палку плазмы в руке вы получите серьёзные ожоги. Солнце расположено в 150 млн. км. от нас, а нам необходимо защищаться от него при помощи солнцезащитных средств — несмотря на то, что у нас есть атмосфера, блокирующая большую часть вредного для нас излучения. Чтобы держать в руке солнечную палку, вам нужен будет крем с показателем SPF как минимум в 10 000.
Можно придумать и другие объяснения того, как работают световые мечи, но они будут либо основаны не на реальности (магия или кайбер-кристаллы) или на удивительных инженерных достижениях, выходящих за рамки света или плазмы.
Бластеры
Бластеры встречаются в Звёздных войнах повсеместно. Их используют Галактическая империя, Повстанческий альянс, дроиды, и особенно контрабандисты и охотники за головами. Для джедаев это оружие выглядит «неуклюжим и случайным», но для большинства остальных это ценный предмет. В одном, особенно спорном случае, некто даже увёртывается от выстрела из бластера сидя, находясь при этом всего в паре метров от стрелка. Речь идёт о сцене «Хан выстрелил первым» из IV эпизода. В изначальной версии ему не надо было уворачиваться от выстрела, поскольку он первым делает упреждающий выстрел и убивает охотника за головами Гридо. В более поздних выпусках сцена исправлена так, что Гридо стреляет первым, Хан уворачивается и стреляет в ответ. Если знать, что от выстрелов можно увернуться на таком небольшом расстоянии, это может объяснить случайность и неуклюжесть данного оружия.
Некоторые источники называют бластеры лазерным оружием, а некоторые — плазменным. Изучим оба варианта. Если это плазменное оружие, то бластер должен сжимать газ тибанна, вещество, добываемое в таких местах, как Облачный город. После сжатия газ накачивается энергией и выстреливается из ствола бластера в сторону цели в виде заряда. В этом случае, заряд бластера — это луч вылетевшей плазмы, ограниченной конечным размером, часто в виде линии. Чтобы разобраться с этим, мы можем изучить вещества из реального мира, поскольку тибанна — вещество выдуманное.
Во-первых, нам нужно знать, при какой температуре газ тибанна становится плазмой тибанна. Температура, при которой вещества превращаются в плазму, довольно постоянна, поэтому мы можем прикинуть, что разумной температурой в нашем случае будет 200 000 градусов. Если такой газ соприкоснётся с вашим телом, он передаст своё тепло вам. При очень больших температурах теплоёмкость материалов примерно равна. Можно сказать, что заряд плазмы температурой 200 000 градусов скорее всего испарит любую часть вашего тела при попадании в неё, если плазмы будет достаточно много.
Но с выстрелами плазмой из бластеров есть проблемы. Плазма состоит из супа заряженных частиц, испытывающих влияние электромагнитных сил. Даже поле, в миллион раз слабее магнитного поля Земли, сможет отклонить заряд плазмы, летящий со скоростью 120 км/ч (достоверная оценка скорости полёта заряда в Звёздных войнах), на полметра влево или вправо, когда он пролетит всего 10 метров. Это может объяснить тот факт, почему выстрелы бластера так случайно ложатся, и почему штурмовики так плохо попадают в цель. Малая толика случайного магнитного поля способна неожиданно отклонить заряд. Вообще, если бы штурмовик произвёл выстрел на Земле, заряд не только отклонился бы от цели, но начал бы летать по такому узкому кругу, что попал бы в бластер, из которого вылетел.
Учитывая, как сильно случайное магнитное поле могло бы повлиять на заряд плазмы, возможно, бластеры и правда — лазерные пистолеты, как это было указано в первоначальном сценарии. Точность лазерного пистолет выше, поскольку свет сложнее отклонить. Для создания заряда ему также требуется меньше энергии. Представляя себе лазер вы, вероятно, представляете себе такое оборудование, которое не способно уничтожить или даже повредить панели инструментов при «выстреле». Это оттого, что лазерные указки — наиболее распространённые лазеры, и они принадлежат к 1-му классу лазеров. Лазерное оружие, скорее всего, будет принадлежать к 4-му классу лазеров — такие лазеры способны сжечь кожу, зажечь воспламеняющиеся вещества и повредить зрение.
Мощность лазеров 4 класса обычно находится в пределах 500 мВт, и при контакте с кожей в течение нескольких секунд они точно вызовут ожог. Лазеры высокой мощности, очевидно, смогут причинить больше вреда за меньшее время, но наш вариант вроде бы соответствует тому повреждению, которое Лея получила при попадании в неё на Эндоре.
Возможно, лучшим аргументов против того, что выстрелы производятся из лазера, будет то, что любой свет перемещается со скоростью света. Заряды из бластеров явно перемещаются гораздо медленнее — ближе к 120 км/ч, нежели к 300 000 км/с. В фильмах от выстрела из бластера до попадания проходит одна-две секунды. Если бы это был лазер, и выстрел перемещался бы со скоростью света, за это время можно было бы попасть в цель, стоящую на Луне, стоя при этом на Земле.
Ни одно из этих объяснений не соответствует тому, что есть в кино. Если придётся выбирать одно из наиболее вероятных, то лучше выбрать вариант с плазмой. Более вероятно отсутствие магнитных полей в сценах с выстрелами в бластерах, чем то, что инженеры нашли способ замедлить скорость света.
Электропосох
В Звёздных войнах есть использующийся в качестве оружия посох, известный, как электропосох. Преимущественно он используется личной охраной генерала Гривуса, и состоит из двухметрового прута, на концах которого находятся электромагнитные импульсы, окружающие последние несколько десятков см каждого из его концов. Их с умеренной эффективностью используют против Оби-Вана и Энакина, когда те спасают канцлера из рук генерала в III эпизоде. Насколько сложно сделать посох с наэлектризованными концами? Будут ли проблемы при попытках управиться с таким оружием? Остановит ли оно световой меч или лезвие? Если бросить его достаточно сильно, разобьёт ли оно окно на космическом корабле?
Для создания постоянно присутствующих электрических разрядов, протянувшихся на расстояние примерно в 30 см, требуется довольно большой электрический потенциал. Чтобы выдать такой разряд, потенциал должен быть достаточно большим для того, чтобы ионизировать воздух. На Земле это примерно миллион вольт. Звучит угрожающе, но на самом деле схема работы такого оружия будет довольно простой. Если на каждом конце посоха сделать металлическое кольцо на расстоянии в 30 см от края, и электрод высокого напряжения на самом конце, система будет работать, как конденсатор, постоянно заряжающийся от внутреннего источника напряжения, и затем разряжающийся в результате пробоя через воздух.
Так как же это будет работать? Два металлических кольца на концах посоха заряжаются до очень большого напряжения. Кольцо, находящееся в середине посоха, заземлено. С увеличением заряда на конденсаторе пропорционально увеличивается и электрическое поле между двумя кольцами. В итоге поле доходит до точки, в которой оно способно отделать электроны от атомов и на краткий момент превращать воздух в проводящую плазму. После того, как заряд перетекает между кольцами, они разряжаются (поскольку отрицательный заряд с одного уравновешивает положительный заряд с другого). Затем задачей источника энергии будет снова зарядить металлические кольца.
Создать такое оружие можно, но это не значит, что его будет удобно использовать на практике. Проблема с электропосохом в том, что вы заряжаете его концы, и удобнее всего разрядить их будет через металлические кольца, расположенные в сантиметрах 30-и от каждого из концов. Если вы поместите конец посоха на расстояние менее 30 см от какой-либо металлической поверхности, разряд, скорее всего, произойдёт на неё. Посмотрите схватку между Оби-Ваном и магнастражами, и понаблюдайте, как часто концы посохов находятся вблизи чего-либо металлического. И хотя обычно будет хорошей идеей удерживать концы своего оружия подальше от своего тела, это особенно важно, если вы состоите из металла, а ваше оружие способно изжарить ваши электронные схемы.
Смог бы такой посох остановить световой меч или пробить окно на космическом корабле? Коротко говоря — соответственно, нет, и да, если его бросить достаточно сильно. В принципе остановить световой меч можно, но не так, как это показано в фильмах. Для появления молнии на концах посохов необходимо сильное электрическое поле. Поскольку плазме — это суп заряженных частиц, электрическое поле посоха будет оказывать сильное воздействие на все эти заряженные частицы и может рассеять луч светового меча (если его не удерживает некая защита). По поводу окна — самое твёрдое стекло разобьётся при давлении порядка 1 ГПа (в десять раз меньше давления, необходимого для создания алмаза). Это значит, что посох должен будет воздействовать на стекло с силой порядка 900 тонн, чтобы разбить окно на «Незримой длани«. А то, что концы посоха заряжены, этой силы не увеличивает, и мы, по сути, решаем вопрос, может ли посох разбить окно, и ответ будет — может, конечно, если бросить его достаточно сильно.
Ионные пушки
В самом начале эпизода «Империя наносит ответный удар» Империя обнаруживает секретную базу Хот. Во время последующей эвакуации повстанцы используют ионные пушки, чтобы прикрыть эвакуационные транспортники. Парой выстрелов им удаётся сбить Звёздный разрушитель. Позже, когда Эскадра смерти преследует «Тысячелетний сокол«, Хан с компанией влетают в поле астероидов Хота. Во время погони Звёздный разрушитель использует пушки, чтобы испарять астероиды и минимизировать урон для корабля. Одним выстрелом астероид разносит на микроскопические частицы.
Разрушительная мощь ионных пушек напрямую показана только один раз. В начале эпизода «Империя наносит ответный удар» Звёздный разрушитель уничтожается несколькими выстрелами с наземных ионных пушек близ базы повстанцев. Выстрелы не наносят видимых повреждений, но, по-видимому, отправляют достаточно сильный электрический ток через корабль для того, чтобы сжечь все его компьютеры. Эффект получается сходный с воздействием сильного электромагнитного импульса. Такой выстрел, вероятно, потребует столько же энергии, сколько среднее домашнее хозяйство из США использует за год.
Второй пример использования тяжёлого вооружения — когда Звёздный разрушитель испаряет астероид. Хотя нам не показывают, что используются именно ионные пушки, мощность выстрела получается такой же. Чтобы что-то испарить, его нужно нагреть до такого состояния, в котором оно плавится и испаряется. Чтобы оценить требуемое количество энергии, необходимо узнать точный размер и состав астероидов в поле Хота. Типичные астероиды в Солнечной системе в основном состоят из железа или силикатов, так что мы можем использовать свойства этих материалов в наших оценках. Для оценки размера можно посмотреть на астероид, врезавшийся в нижнюю часть Звёздного разрушителя. Сложив всё это вместе, мы получим, что энергия выстрела из тяжёлого вооружения Звёздного разрушителя должна быть порядка 10 в 14 Дж, или в 10 раз больше энергии, выделившейся во время взрыва атомной бомбы над Хиросимой.
Ясно, что для питания такого оружия потребуется очень много энергии, но в этом нет ничего невозможного. Однако в связи выстрелами из оружия такой высокой энергии возникают и другие вопросы. К примеру, ионный луч может испытывать рассеяние. Если у всех ионов в луче одинаковый заряд (допустим, это всё электроны), они будут отталкиваться и заставлять луч распространяться в стороны, уменьшая эффективность при достижении цели. Существует также тепловое расплывание пучков, в случаях, когда ионы сталкиваются с частицами в воздухе. А на Хоте во время атаки шёл снег, что только усилит эффект рассеивания.
Есть и другие проблемы с таким оружием, как с наземным, так и с тем, что установлено на Звёздном разрушителе. На пучок ионов в магнитном поле (которого, правда, у Хота может и не быть) будет действовать сила, перпендикулярная направлению их движения. Это приведёт к тому, что частицы отправятся по круговому пути.
Даже если у Хота нет магнитного поля, Звёздные разрушители наверняка летают через участки, близкие к планетам и звёздам, где магнитные поля присутствуют.
Для разработки ионной пушки имеет смысл делать её в форме диска или сферы. Чтобы разогреть ионы достаточно для получения эффективного оружия, проще всего будет разгонять их по круговому пути. При необходимости сделать выстрел магнитное поле, удерживающее их на этом пути, можно отключить, и луч пойдёт по прямой. Это может объяснить, почему между выстрелами должно пройти определённое время — оно нужно для разгона ионов, а также это объясняет круглую форму ионных пушек Хота.
Источник @funscience | По материалам книги: «Физика Звёздных войн», Патрик Джонсон