Силовое поле

Создано 5.11.2018 16:25, автор DiEitch

В научной фантастике (SF) временами встречается термин "силовое поле", что означает оснащение некоего объёма пространства чёткой получаемой и управляемой (посредством некоего генератора) границей, непроницаемой для некоторых факторов: сила, излучение (другое поле), вещество (газ), или его отсутствие (вакуум). 

Т.о. "фантастические" поля могут быть:

  • силовые заградительные поля - физически ограждающие объём (типа синтетическая стена);
  • поражающие - они не ограждают, а наносят пересекающим объектам повреждения (лазерная клетка);
  • экранирующие - защищающие от излучений и полей;
  • герметические - ограждающие от вредных веществ или вакуума.

В связи с этим, было бы неправильно называть любое поле, описываемое на страницах SF, силовым, хотя многие "фантастические" поля сочетают в себе свойства нескольких видов (а, иногда, и всех сразу).

В этой статье я буду рассматривать именно силовые поля, т.к. у них есть большая вероятность перекочевать со страниц фантастических повестей и рассказов а реальную жизнь будущего. Итак, концепция силового поля очень проста, чего не скажешь о его реализации.

Попытаюсь порассуждать о главных вопросах силовых полей, которые волнуют учёных и фантастов (и учёных-фантастов) сегодня:

  • как создавать и поддерживать силовые поля;
  • где взять энергию для их создания.

Думаю, нужно начать сначала. Коль эти поля будут взаимодействовать с материей, нужно рассмотерть вначале фундаментальные взаимодействия. Известно несколько видов взаимодействия (в скобках относительная сила этих взаимодействий):

  • гравитационное (1);
  • электромагнитное (10^36);
  • сильное (10^38);
  • слабое (10^25);
  • поле Хиггса (электрослабое).

Также, существуют и их сочетания, которые пока ещё не совсем хорошо изучены. Попробуем отбросить "лишние" виды взаимодействия с точки зрения производства силовых полей:

  • гравитация относительно слаба и не имеет полярности (т.е. отталкивать такое поле не сможет), кроме того, гравитация ещё не совсем изучена и имеет огромное дальнодействие, что плохо для локального силового поля;
  • сильное (ядерное) взаимодействие имеет очень большую относительную силу, но действет оно на малых расстояниях (в пределах ядра атома эти силы отвечают за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами(протоны и нейтроны)), "наше" же поле дожно иметь вполне пространную геометрию (метры...сотни метров, а не десятки...сотни пикометров);
  • слабое (ядерное) взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (~2·10^−18 м);
  • поле Хиггса - электрослабое, не подходит;
  • электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом, а такие частицы есть везде, этим и объясняется повсеместное его проявление как в микро, так и в макромире. Более того с современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля. Также полезно, что электромагнитное взаимодействие переносится фотоном с 0-массой. Сам фотон
    хоть электрически и нейтрален, но может взаимодействовать с другими фотонами (путём обмена виртуальными парами типа электрон-позитрон). За счёт этих свойств и получается большая универсальность электромагнитного взаимодействия.

Исходя из выкладок выше, самым "подходящим" для силовых полей !пока! является электромагнитное взаимодействие (ЭМВ). Однако, ни радиоволны, ни электрические линии передач "не блокируют" пространство, мы спокойно проходим под опорами ЛЭП, не нагибаемся вперёд от волн передатчика радиостанции, как от сильного ветра. Да, взаимодействие безусловно есть, но его сила невелика и зависит от магнитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости вещества.

Конечно, используя электромагниты с ферромагнетиками в качестве сердечников, мощные магниты, сверхпроводники, учёные уже сегодня получили значительные силы притяжения (и отталкивания), которые успешно работают в электромоторах, замках домофонов, подъёмных кранах и т.д., но на "обычные" вещества (в основном, диамагнетики и парамагнетики, из которых природа создаёт объекты) сила ЭМВ просто мизерна. Вот тут и становится остро проблема источника энергии: для ощутимого взаимодействия в поле нужно "вкачать" значительную энергию - речь идёт о Мега- и Гига- и ТераВаттах. Такую энергию длительное время может выдавать лишь стационарная большая электростанция (далеко не коробочка, описываемая в SF). Кроме того, парамагнетики будут втягиваться в поле, а диамагнетики - выталкиваться из него. Т.е. может даже статься, что при плохой однородности комбинированный объект от воздействия сильного поля разорвёт на части. Существует также эффект зависимости магнитной восприимчивости от температуры для многих парамагнетиков (весной и летом такая стенка будет работать хуже). Т.о. ЭМВ нельзя использовать напрямую, нужны хитрости и мощные источники энергии.

Что мы в итоге имеем: вот три основных гвоздя в доску силовых полей:

  • свойства ЭМВ;
  • свойства окружающей среды;
  • мизерность современных автономных источников энергии.

Есть ли из этого положения выход? Безусловно, но не на поверхности - природа просто так "не раздаёт детям конфеты". Разберём каждый из "гвоздей".

Свойства ЭМ-поля. На сегодняшний день учёные уже научились работать с ЭМ-полем достаточно хорошо. Можно создавать потоки любого направления и конфигурации. Так что, имея хороший источник энергии, не проблема создать любую геометрическую замкнутую границу (и даже по объёму, вспомните хотя бы ТОКАМАК, где магнитные поля сложной конфигурации формируют жгут плазмы и ограждают его от соприкосновения с материей).

С окружающей средой немного проще: нужно либо "строить" силовое поле из своих деталей (помните, как железные опилки выстраиваются "рисуют" на картоне магнитное поле магнита), которые заранее "настроены правильно" реагировать на ЭМ-поле, получая строительные блоки силового поля, либо досконально изучить и использовать свойства тех веществ, которые уже имеются на Земле в изобилии (воздух или вода, кстати, ходят слухи, что Тесла мог воздействовать на воздух электрическими полями определённых частот, переводя его в другие агрегатные состояния: жидкость, твёрдое тело, также не секрет, что электричество прекрасно преобразует газы в плазму, а она уже довольно неплохо взаимодейтсвует с ЭМ-полем). 

Источники питания. Здесь прорыв, очевидно, начнётся при внедрении "в обиход" небольших ядерных реакторов деления или реакторов лазерного ядерного синтеза, про часто упоминаемую в SF аннигиляцию и думать пока нечего: достать антиматерию в нашей галактике сложно (на Земле - тем более), изготовить очень дорого (при современных способах получения антиматерии затратится больше энергии чем выделится при аннигиляции), едва ли это будет выглядеть нормально, да и хранить такое "топливло" очень тяжело и накладно (много энергии затратится уже на этапе хранения), и вообще, аннигиляция - это не планетарная технология - слишком опасно. 

На сегодняшний день технология получения силовых полей видится следующей: миниатюрный мощный атомный реактор на делении + система сверхпроводящих плоских катушек для образования магнитных полей  требуемой конфигурации + эффективный холодильник для сжижения атмосферного воздуха (и, возможно, отделения кислорода) + система компрессоров подачи воздуха + система форсунок для распыления жидкого воздуха (или кислорода).

Принцип довольно простой - сильное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими рамками-катушками втягивает и удерживает суперпарамагнитный воздух, и он становится сердечником, усиливая напряжённость поля B. Соседние рамки включены разными направлениями, т.о. поле закольцовывается внутри двух соседних рамок, за счёт чего уменьшаются потери энергии и воздействие на живые организмы внутри периметра.

Такое поле не пропустит через периметр живую силу противника и при достаточной напряжённости - сможет остановить пули и даже снаряды, т.к. при пересечении периметра металлические изделия, попадая в магнитное поле рамок, приобретут своё собственное, которое будет взаимодействовать с полем рамок. Кроме того, пули, возможно, успеют отдать часть своего тепла и энергии, и сила их взаимодействия с полем возрастет ещё.

Псевдосиловое поле. Наноботы.

Я забыл упомянуть ещё одну возможность создать псевдосиловое поле с помощью наноботов. Уже существуют миниатюрные роботы (размером с молекулу или около того). Представьте, что они могут индивидуально управляться некоторым сигналом (или работать по программе) и соединяться в сложные "молекулы" с определённой запрограммированной прочностью и жёсткостью и выполнять простой набор удалённых операций (ремонт, монтаж, демонтаж стены, самовосстановление, ремонт соседа).

В случае с наноботами не нужен очень мощный генератор (нужен просто передатчик), и не нужно преобразовывать окружающую среду, но повреждение значительного числа наноботов приведёт к дисфункции или разрушению стены (псевдосилового поля). Также имеет сложности само создание таких миниатюрных механизмов с нужными функциями и обеспечение каждого из них питанием, защитой (скелетом) нужной прочности и устойчивости против внешних сил (в том числе, и мощного оружия).