Что такое сингулярный реактор
Возможно ли в теории создать корабль, движимый искусственной чёрной дырой?
Межзвёздный полёт является одним из самых ошеломительных вызовов, когда либо стоявших перед человечеством. расстояния даже до ближайших звёзд столь велики, бессмысленно даже создавать моделировать их в масштабе. Например, если расстояние от Земли до Солнца принять равным 1 см, то ближайшая звезда будет на расстоянии примерно 2,7 км.
Самый быстрый из построенных людьми объект, Вояджер 1, движется со скоростью около 29 км/сек. Если бы он направлялся к Проксима Центавра, то достиг бы её через 80 000 лет. Очевидно, что раз межзвёздный полёт нужно осуществить в пределах одной человеческой жизни (или нескольких), то необходимо достичь гораздо более высоких скоростей. При скорости в 10% от скорости света (что в 1000 раз быстрее Вояджера 1), Проксиму Центавра можно достичь за 45 лет. Однако необходимое для достижения такой скорости количество энергии не укладывается в голове.
В 1955 году Джон Вилер (John Wheeler), один из пионеров теории чёрных дыр, ввёл термин Kugelblitz (нем. шаровая молния). Вилер предположил, что если в некой точке пространства сфокусировать достаточно энергии, то в этой точке сформируется микроскопическая чёрная дыра, которую можно описать уравнением Карла Шварцшильда. Через 19 лет Стивен Хокинг предположил, что квантовые эффекты поблизости от горизонта событий чёрной дыры могут стать причиной радиационного излучения, так называемое «излучение Хокинга». Чем меньше дыра, тем больше энергия излучения и меньше её масса. Но и тем короче жизнь дыры до момента её полного «испарения». Постулат Вилера и теория Хокинга об излучении чёрных дыр делают возможным новый тип межзвёздных двигателей, использующих в качестве источника энергии Шаровую Молнию Шварцшильда.
Такая искусственная чёрная дыра должна быть достаточно мала, чтобы излучать нужное количество энергии. Должна быть достаточно легка, чтобы её можно было разогнать. И достаточно велика, чтобы прожить нужное время. Расчёты показывают, что размер такой дыры должен быть меньше размера протона.
Несмотря на такую микроскопичность, чёрная дыра Шварцшильда будет невероятно тяжёлой, массой примерно как два здания Empire State Buildings. При этом энергия излучения составит около 129 петаватт (1 петаватт = 10 квадрильонам ватт). Это в 10 млн раз больше, чем общее энергопотребление Нью-Йорка за июль 2013 года.
Кстати, в 1993 году чёрная дыра Шварцшильда даже проникла в массовую культуру, правда, под псевдонимом. В эпизоде «Timescape» сериала «Star Trek: The Next Generation» корабль Romulan Warbird был оснащён искусственной квантовой сингулярностью.
Купол Дайсона
В 1960 году физика Фримэн Дайсон (Freeman Dyson) сформулировал постулат, согласно которому чрезвычайно развитая цивилизация может окружить звезду сферической оболочкой с радиусом в 1 астрономическую единицу. Это позволило бы получить практически неисчерпаемый источник энергии. К сожалению, такая Сфера Дайсона почти наверняка останется технически неосуществимой для человечества в обозримом будущем.
Альтернативой полноценной сфере может стать её небольшой сегмент с радиусом менее 1 АЕ — Купол Дайсона. И это уже куда более реалистичный вариант. Такой купол можно расположить в носу корабля, чтобы он мог вобрать в себя энергию, излучаемую Чёрной Дырой Шварцшильда. Это позволило бы придавать кораблю ускорение. Однако расчёты не позволяют надеяться на реализацию такого проекта.
Рассмотрим Купол Дайсона, изготовленный, например, из титана. Энергия от искусственной ЧД расплавила бы его на уже расстоянии около 30 км. Однако на расстоянии 33 км для купола уже не будет риска быть расплавленным. Толщина и диаметр Купола нужно будет оптимизировать с целью уменьшения массы. Чем больше диаметр и толщина, тем больше энергии он абсорбирует. Однако масса такого купола сильно повлияет на ускорение корабля. И наоборот, лёгкий купол будет абсорбировать слишком мало энергии. Необходимость разместить Купол на большом расстоянии от ЧД также приведёт к тому, что очень небольшая доля излучённой энергии будет уловлена.
Если принять срок «жизни» Чёрной Дыры Шварцшильда за 5 лет, то корабль размером со 100-этажное здание сможет разгоняться лишь на отрезке в 1,5 АЕ, а скорость увеличится лишь на 0,0004%. Даже если уменьшить массу всей конструкции в 1000 раз, то корабль успеет достичь лишь 4% от скорости света. Для сравнения, термоядерный реактор позволит достичь скорости в 8-12% от скорости света!
Сфера Дайсона
Если вся излучаемая энергия будет собрана и значительная её часть будет использована для движения, то ситуация существенно поменяется. Это возможно при использовании сферической оболочки вокруг ЧД Шварцшильда. В этом случае, корабль сможет, теоретически, достичь 72% от скорости света в течение 5-летнего периода «жизни» ЧД. Эта колоссальная субсветовая скорость позволила бы в течение человеческой жизни облететь несколько ближайших к нам звёздных систем.
Проблематика Чёрной Дыры Шварцшильда
Для создания Сферы Дайсона понадобится чрезвычайно лёгкий и энергоёмкий материал, потому что титановая сфера с радиусом в 33 км и толщиной в 1 см будет иметь массу как 1200 небоскрёбов Empire state Building. Если же ограничиться Куполом, то собранной энергии будет слишком мало.
Кроме того, на сегодняшний день единственным теоретически возможным способом создания самой ЧД Шварцшильда является использование гамма-лазера. Однако лазер с такой рабочей частотой требует увеличения современных рабочих частот более чем в миллиард раз. Длительность импульса должна быть в 100 миллиардов раз меньше, чем у современных лазеров. А общая энергия излучения должна быть эквивалентна объёму энергии, испускаемой Солнцем за 1/10 секунды…
Увы, пока что технологические трудности делают создание ЧД Шварцшильда невозможным в обозримом будущем. Искусственная ЧД может стать источником колоссального количества энергии, что сделало бы её идеальной «батарейкой» для межзвёздного корабля. Кто знает, возможно, когда-нибудь благодаря именно этой технологии человечество впервые достигнет звёзд.
Сингулярный реактор
Источник энергии основанный на использовании выделяемой энергии выделяемой малоразмерной вращающейся черной дырой. Реакторы могут работать на основе двух принципов: может использоваться энергия получаемая при испарении черной дыры из-за излучения Хоукинга, так и энергия вращащейся материи, которая падает в черную дыру.
Как правило сам реактор, представляет из себя черную дыру, расположенную в нескольких десятках метров от колоссальных сверхпроводимых электромагнитов. Они удерживают черную дыру в стационарном положении относительно остальной конструкции. Электромагниты защищены от жесткого излечения при помощи
Из-за колоссальных затрат при создание черных дыр определенных масс, а также учитывая сложности при их захвате и транспонтировке, сингулярные реакторы остаются редкими и узкоспециализированными источниками энергии. Черные дыры дают более высокий потенциал получения энергии из материи (кпд колеблется от 30 до 49 процентов), и упрощают первичный синтез легких элементов в тяжелые. Таким образом основную потребность в сингулярных реакторах имеют:
Производство сингулярных реакторов [ ]
Первая стадия создания сингулярного реактора представляет собой столкновение плотной барионной или магнитной материи на высоких скоростях. При столкновении на достаточных скоростях масса разогнанная сетью электромагнитных ускорителей превращается в микроскопическую черную дыру, которая стремится испариться. В связи с тем, что последующий поток масс даёт дополнительную массу для черной дыры, а лазеры удерживают дыру стабильной, пока черная дыра не станет достаточно массивной, чтобы удерживать свой размер благодаря контролируемому сбросу материи без большой и дорогостоящей сети.
Сингулярный реактор
Рассматривается два вида сингулярных реакторов:
* взрывного действия — производит отдельные чёрные дыры
* непрерывного действия — чёрная дыра постоянно подпитывается веществом.
Связанные понятия
500 μK). Охлаждение является результатом взаимодействия атомов с градиентом поляризации, созданной двумя распространяющимися навстречу лазерными пучками с ортогональной линейной поляризацией. Атомы, летящие в направлении световой волны в результате спонтанного перехода с верхнего на нижний уровень «одетого» состояния.
Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.
В астрономии и космологии темная жидкость является альтернативой теории как темной материи, так и темной энергии и пытается объяснить оба явления в единой структуре.Темная жидкость предполагает, что темная материя и темная энергия не являются отдельными физическими явлениями, как считалось ранее, и не имеют отдельного происхождения, но они тесно связаны друг с другом и могут рассматриваться как две грани одной жидкости. В галактических масштабах темная жидкость ведет себя как темная материя, а в.
Согласно концепции переме́нной ско́рости све́та (ПСС) считается, что скорость света в вакууме, обычно обозначаемая c, в некоторых случаях может не быть константой. В большинстве ситуаций в физике конденсированного состояния распространение света в среде действительно происходит с меньшей скоростью, чем в вакууме. Кроме того, в некоторых расчётах квантовой теории поля необходимо учитывать, что виртуальные фотоны должны двигаться на короткие расстояния в том числе со скоростью, отличной от скорости.
Сингулярный реактор
Сингулярный реактор (коллапсарный реактор) — гипотетический источник энергии, где в качестве рабочего тела используются микроскопические чёрные дыры (коллапсары). Принцип работы такого реактора состоит в использовании энергии, выделяющейся при испарении чёрной дыры. Также он может быть использован как реактивный двигатель.
Рассматривается два вида сингулярных реакторов:
Содержание
Теория чёрных дыр, необходимая в данном случае
L = ℏ c 6 15360 π G 2 M 2 = P P m P 2 15360 π M 2 <\displaystyle L=<\frac <\hbar c^<6>><15360\pi G^<2>M^<2>>>=<\frac ^<2>><15360\pi M^<2>>>> d M d t = − ℏ c 4 15360 π G 2 M 2 = − m P 3 15360 π t P M 2 <\displaystyle <\frac M^<2>>>> Состав излучения зависит от размера чёрной дыры: для больших чёрных дыр это в основном безмассовые фотоны и лёгкие нейтрино, а в спектре лёгких чёрных дыр начинают присутствовать и тяжёлые частицы. Спектр хокинговского излучения для безмассовых полей оказался строго совпадающим с излучением абсолютно чёрного тела, что позволило приписать чёрной дыре температуру T H = ℏ c 3 8 π k G M = E P 2 8 π k M c 2 = m P 2 c 2 8 π k M = ( m P c ) 2 8 π k M = T P m P 8 π M <\displaystyle T_ c)^<2>><8\pi kM>>=<\frac ><8\pi M>>> где ħ — редуцированная постоянная Планка, c — скорость света, k — постоянная Больцмана, G — гравитационная постоянная, M — масса чёрной дыры, E P <\displaystyle E_ > > c> > > > На этой основе была построена термодинамика чёрных дыр, в том числе введено ключевое понятие энтропии чёрной дыры, которая оказалась пропорциональна площади её горизонта событий: S = A k c 3 4 ℏ G = A k 4 S P = A k 4 ℓ P 2 <\displaystyle S=<\frac >>=<\frac ^<2>>>> За счёт испарения все чёрные дыры теряют массу и время их жизни оказывается конечным: τ = 5120 π G 2 M 3 ℏ c 4 <\displaystyle \tau =<\frac <5120\pi G^<2>M^<3>><\hbar c^<4>>>> В то же время большие чёрные дыры, температура которых ниже температуры реликтового излучения Вселенной (2,7 К), на современном этапе развития Вселенной могут только расти, так как испускаемое ими излучение имеет меньшую энергию, чем поглощаемое. Данный процесс продлится до тех пор, пока фотонный газ реликтового излучения не остынет в результате расширения Вселенной. Питающее чёрную дыру вещество вынуждено будет преодолевать световое давление излучения Хокинга. Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой: R — текущее положение вбрасываемого вещества относительно МЧД (здесь и далее — малая чёрная дыра). Масса звездолёта на малых чёрных дырах: где: M — полная масса корабля;Ms — масса малой чёрной дыры корабля;Md — масса двигательной установки корабля;Mk — масса полезной нагрузки. В этих формулах учтены коэффициенты полезного действия системы: И теперь балансовое уравнение. Оно связывает массы и ускорение: Концепция сингулярных реакторов возникла в научной фантастике после появления теории Хокинга. Они рассматриваются как альтернатива аннигиляционным реакторам и реакторам искусственного распада протонов, поскольку эффект Хокинга можно рассматривать как способ превращения материи в энергию, альтернативный аннигиляции. Несмотря на то, что такой реактор, в отличие от большинства фантастических источников энергии, имеет научное обоснование, многие технические аспекты реализации такого устройства совершенно непонятны, в первую очередь — способ производства и удержания чёрных дыр. Сингулярный реактор или двигатель в том или ином виде встречается в различных произведениях научной фантастики и играх: Сингулярный реактор (коллапсарный реактор) — гипотетический источник энергии, где в качестве рабочего тела используются микроскопические чёрные дыры (коллапсары). Принцип работы такого реактора состоит в использовании энергии, выделяющейся при испарении чёрной дыры. Также он может быть использован как реактивный двигатель. Рассматривается два вида сингулярных реакторов: В то же время, большие чёрные дыры, температура которых ниже температуры реликтового излучения Вселенной (2,7 К), на современном этапе развития Вселенной могут только расти, так как испускаемое ими излучение имеет меньшую энергию, чем поглощаемое. Данный процесс продлится до тех пор, пока фотонный газ реликтового излучения не остынет в результате расширения Вселенной. Важнейшей проблемой для работающего Чернодырного двигателя является питание Черной Дыры внешним веществом, ибо излучение Хокинга будет тормозить и отбрасывать любое вещество, пытающееся проникнуть в Черную Дыру. Да и Точность Попадания в ЧД должна быть соответствующей. Давление электромагнитного излучения Концепция сингулярных реакторов возникла в научной фантастике после появления теории Хокинга. Они рассматриваются как альтернатива аннигиляционным реакторам и реакторам искусственного распада протонов, поскольку эффект Хокинга можно рассматривать как способ превращения материи в энергию, альтернативный аннигиляции. Несмотря на то, что такой реактор, в отличие от большинства фантастических источников энергии, имеет научное обоснование, многие технические аспекты реализации такого устройства совершенно непонятны, в первую очередь — способ производства и удержания чёрных дыр. Сингулярный реактор или двигатель в том или ином виде встречается в различных произведениях научной фантастики и играх:
,.,— планковская энергия, m P <\displaystyle m_— планковская масса, m P c <\displaystyle m_— планковский импульс, T P <\displaystyle T_— планковская температура, P P <\displaystyle P_— планковская мощность, t P <\displaystyle t_— планковское время.,.Питание чёрных дыр
Балансовое уравнение звездолёта на малых чёрных дырах
Двигатель на чёрной дыре в фантастике
Сингулярный реактор
Содержание
Питание Черных Дыр [ править | править код ]
Чернодырный двигатель в фантастике [ править | править код ]