Новости Науки

[Ardens]

Сделан первый шаг в технологии реплицирования материи. Прямо как в научной фантастике…

Кто из нас не желал получить нужную вещь здесь и сейчас?
Прямо вот так, не выходя из дома, подойти к некоему прибору, задать нужную программу и реплицировать себе нужный предмет, одежду или даже еду.

Самое интересное, что подобные процессы физически возможны: нечто подобное происходит внутри звёзд, когда во время термоядерных реакций синтезируются новые химические элементы вплоть до железа. Элементы тяжелее железа также синтезируются звёздами, но при их катастрофическом изменении на последней стадии развития.Если синтез гелия из атомов изотопа водорода, дейтерия и трития идёт с выделением энергии, то синтез химических элементов тяжелее железа идёт с поглощением энергии. Поэтому тяжёлые элементы синтезируются преимущественно в процессе взрыва звёзд, когда давление позволяет преодолеть кулоновский барьер между атомами, температура позволяет атомам двигаться столь быстро, что возможны компоновки десятков протонов и нейтронов в один атом, а энергия, которую поглощают атомы на единицу объёма в процессе синтеза, является избыточной.

Уже умирающая звезда вспыхивает с новой силой, которая превосходит её собственную светимость в миллионы раз. Поэтому такой такой процесс и получил название – сверхновая звезда.
Результатом вспышек сверхновых звёзд явилось всё разнообразие химических элементов, из которых состоим мы и всё наше окружение.
Для подобного синтеза химических элементов требуется изначальный ресурс в виде атомов водорода и свободной энергии.
Следовательно, имея эти два ресурса в должном количестве, можно будет синтезировать любой нужный нам химически элемент.
Есть ещё более фантастическая технология реплицирования материи, которая берёт своё начало из идеи эквивалентности массы и энергии – это синтез материи непосредственно из энергии.
Так, один килограмм вещества (неважно, из каких атомов оно состоит) потенциально эквивалентен количеству энергии, выделяемой при взрыве 43-мегатонной термоядерной бомбы.

Например, наше Солнце каждую секунду излучат столько энергии, сколько потенциально содержит в себе 1 миллион тонн вещества. Таким образом, чтобы «синтезировать» ещё одну планету Земля, понадобится примерно 190 миллионов лет активности Солнца.

Насколько это фантастично? Человечество в 2020 году потребило приблизительно 595 ЭДж энергии. Согласно формуле Эйнштейна "E=mc²", такое количество энергии содержится в 3310 кг вещества.
Цивилизация первого типа по шкале Кардашёва потенциально будет использовать энергии в год столько, сколько содержат 1754,5 тонн вещества. Это всё ещё довольно мало для внедрения технологии в каждый дом.
Шкала Кардашёва — метод измерения технологического развития цивилизации, основанный на количестве энергии, которое цивилизация может использовать для своих нужд.
Цивилизация второго типа будет потреблять энергии существенно больше. 8 миллиардов человек будут потреблять такое количество энергии, эквивалент массы которой равен 2193 тонны в год на каждого жителя. Вот тут уже распространение технологии реплицирования материи из энергии имеет практический для жителей смысл.

• Более подробно о цивилизациях по шкале Кардашёва я писал в статье "Когда человечество станет цивилизацией ПЕРВОГО типа по Шкале Кардашёва?".

Но есть нюанс. Даже если бы прямо сейчас существовала подобная технология, она была бы энергетически неподъёмной для человечества ещё очень долго.
Согласно прогнозам, в случае отсутствия глобальных катастроф и прочих неприятностей подобного рода, человечество достигнет энергопотребления цивилизации первого типа только к 2246 году, а второго типа - к 3071 году…
Однако основы технологии реплицирования материи из энергии закладываются уже сегодня.

С помощью современной физики мы сегодня открываем те эффекты, которые могут быть практически реализованы только через 500 и более лет (согласно сегодняшним оценкам).

Технология создания материи из энергии уже получила практическое подтверждение, хотя теоретическое изложение было впервые обосновано Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером ещё в 1934 году.
Так называемый "процесс Брейта — Уилера" является самой базовой и простейшей реакцией, где свет (энергия фотонов) превращается в вещество (материю с массой покоя).

Фотон - это нейтральный квант электромагнитного поля, который не имеет своей античастицы (антифотона) и является чистой энергией. Два высокоэнергетических фотона способны породить материю в виде электрона и позитрона.

Частицы в нашей вселенной рождаются преимущественно попарно: одна частица материи и одна - антиматерии. Так же и в ходе реакции Брейта — Уилера столкновение двух фотонов рождает пару «электрон-позитрон». Так как обе частицы обладают массой и рождаются вследствие взаимодействия чистой энергии фотонов, то и сам единичный фотон должен обладать огромной энергией, смещая длину волны далеко в гамма-спектр.
Но вот беда: создавать гамма-лазеры человечество пока не умеет, поэтому сама генерация вынужденного излучения в гамма-диапазоне ещё не осуществлена. Но это не единственная проблема. Свет обладает поляризацией, и разнополяризованный свет не взаимодействует друг с другом. Для взаимодействия фотонов, особенно в процессе Брейта — Уилера, нужна сверхточная фокусировка, которая опять-таки сложно достижима. Все эти факторы ограничивают учёных в проведении прямого эксперимента по наблюдению процесса Брейта — Уилера.
Нелинейный процесс Брейта–Уилера (или многофотонный процесс Брейта–Уилера) - это создание пары "электрон-позитрон" при распаде высокоэнергетического фотона (гамма-фотона), взаимодействующего с сильным электромагнитным полем, таким как лазер.


Но есть лазейка. Нам необязательно оперировать исключительно энергией. Для репликации материи можно использовать собственно материю. Например, электрон, помещённый в мощное когерентное электромагнитное поле (лазер), будет с ним взаимодействовать, обмениваясь энергией, и излучать гамма-кванты, которые, в свою очередь, при совпадении поляризации с лазером будут порождать пары «электрон-позитрон».
Подобные пары обычно сразу аннигилируют, превращаясь обратно в гамма-кванты. Но их можно разделить с помочью мощного импульсного электромагнитного поля, что позволит в ходе этого процесса создавать как материю, так и антиматерию.
Получается, что при помощи одного электрона и сверхмощного лазера можно реплицировать материю. Причём процесс репликации будет расти в геометрической прогрессии, а плотность конечного вещества на единицу объёма превзойдёт плотность атомов в металле в десятки раз.
Конечно, и этого делать мы пока не умеем. Нам не хватает мощности лазерных комплексов (нужно примерно в 10 тысяч раз больше…).
Лазерный петаваттный комплекс “Фемта - Луч”, расположенный во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики. Этот комплекс является одним из самых мощных в мире, на нём также изучается механика процесса Брейта — Уилера. Сегодня самый мощный в мире лазерный комплекс (5,4 петаватта) находится в Китае.



Подобный процесс - вовсе не фантастика. Ещё в 1997 году был зафиксирован первый случай, когда свет превратился в материю.
Американские исследователи из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) смогли сделать это, хотя и немного по-другому. В эксперименте SLAC использовались электроны для первичного создания высокоэнергетических фотонов, которые затем подвергались многократным столкновениям в одной камере, в результате чего происходило образование электронов и позитронов. В ходе этих столкновений и были зафиксированы первые события превращения света в материю. Этот метод - косвенный и является многофотонным процессом Брейта-Уилера, который демонстрирует, что подобное превращение энергии в материю физически возможно.
В 2012 году учёные задумались о создании фотонного коллайдера для прямого изучения процесса Брейта — Уилера. Правда нынешние технологии не позволяют сфокусировать требуемую энергическую мощность на пучок фотонов. Но в перспективе такое возможно, это дело ближайших 30-50 лет, что относительно недалёкое для нас будущее.
А пока физики придумывают разные обходные пути для прямого изучения процесса Брейта-Уилера.
Так, недавно материя из света была получена путём ускорения ионов золота до 99,995% от скорости света в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. У ионов, разогнанных до подобных скоростей, появляется собственное электромагнитное поле. Правда электромагнитное поле состоит не из реальных, а виртуальных фотонов, но это не мешает им влиять на всю систему.

Например. магнитное поле постоянного магнита статично, оно состоит из виртуальных фотонов. Точнее, взаимодействие виртуальных фотонов (которые самопроизвольно рождаются/исчезают в вакууме) с веществом магнита проявляет себя в виде постоянного магнитного поля.

Так вот, ионы золота, пролетая в непосредственной близости друг от друга, "соприкасаются" электромагнитными полями, что приводит к их взаимодействию в виде рождения пары "электрон-позитрон". Скорости, близкие к световой, помогают продлить период взаимодействия виртуальных фотонов, ведь на очень малый промежуток времени виртуальный фотон становится реальным, беря энергию для своего образования прямо из вакуума (это, кстати, нарушает закон сохранения энергии). А став реальным фотоном, он может провзаимодействовать с таким же фотоном. Это и зафиксировали исследователи.

Закон сохранения энергии нарушается на ничтожно малый промежуток времени, пока фотон существует в нашем реальном мире. Далее он снова становится виртуальным, возвращая энергию обратно в вакуум, и так бесконечно долго.

Между тем, в 2018 году в CERN на Большом Адронном Коллайдере впервые увидели, как столкновение фотонов порождает W-бозоны - одни из самых тяжёлых элементарных частиц. Именно эти бозоны и являются переносчиками слабого взаимодействия - фундаментальной силы в природе. Так что из света можно получать не только электроны и позитроны.


Вот так сегодня учёные делают первые шаги в технологии, которая будет обыденной для наших потомков через 500-1000 лет.








https://zen.yandex.ru/media/dbk/sdelan-pervyi-shag-v-tehnologii-replicirovaniia-materii-priamo-kak-v-nauchnoi-fantastike-6122876661e786779bca2a0e